南宁博物馆江水源热泵空调系统设计

梁增勇



南宁博物馆江水源热泵空调系统设计

梁增勇

（华蓝设计(集团)有限公司 南宁 530011）

介绍了南宁博物馆江水源热泵空调系统设计的技术特点，包括江水温度的确定、水处理措施、系统形式、系统流程、取水设施和效果评价等。指出应对实测数据分析后确定江水设计温度，应对进入热泵机组的江水采取必要的水处理措施，并对热泵机组的换热器做特别处理。采用的岸边深井取水法在配合景观建设、确保航运安全、抗击洪水冲击以及施工方法等方面具有特色。

江水温度；水质；水处理；开式系统；取水设施

0 工程概况

南宁博物馆位于南宁市五象新区，临邕江而建，建筑面积30817.30 m2。地下1层，地上3层，局部4层。建筑造型从空中俯瞰形似六片“叶子”。地下1层主要有藏品库房及机电用房；1～3层为展厅、临时展厅、多功能厅等；局部4层为餐厅和厨房。办公用房区域相对集中，主要为藏品处理、研究、办公、小型会议等功能。本工程建筑高度29.88 m，为二类公共建筑。项目建成后经2016年全年及2017年夏季使用，至今运行良好。

针对博物馆具有公众参观、藏品收藏、馆员办公等不同的使用功能，分别采用不同的系统形式。

图1 项目实景照片

公众参观用房，采用江水源热泵空调系统，夏季供冷，冬季供暖；

藏品库房，采用风冷恒温恒湿空调机，各藏品库房独立设置系统，根据不同藏品性质灵活运行和调节其温湿度；

馆员办公用房及位于局部4层的餐厅，分层分房间区域采用多联空调系统。

本文重点介绍江水源热泵空调系统设计中的技术特点。

1 江水源热泵系统的水温参数

国家规范GB/T 19409-2013《水（地）源热泵机组》，给出了容积式热泵机组正常工作的冷热源温度范围，冷源温度范围为10～40 ℃，热源温度范围为5～30 ℃。对于江水源热泵机组的进出水温度，现行设计类规范如GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》、GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》并未给出详细规定。

戎向阳等的研究结果表明，利用江水的累年最热月、最冷月平均温度作为水源热泵机组的选型依据时，热泵机组实际制冷、制热量对负荷侧需求的保证率在98.3%以上，完全能够满足一般工程应用的要求[1]。在目前规范缺少相关规定的情况下，笔者认为文献[1]的研究结果是合理的。江河实际水温的历史数据一般缺少公开的资料，往往导致一般江水源设计时，取水温度的确定存在一定的盲目性，因此取得当地水文站的实测资料尤为重要。

统计了南宁市邕江河段某水文站5年记录的数据，江水累年月平均温度变化如图2所示。

图2 南宁市邕江河段江水累年月平均温度变化

数据显示，南宁市江水温度的最冷月出现在每年的1月份，而最热月出现在6～8月份，以7月份居多。经统计历年水温数据，南宁市邕江河段基本水温参数见表1。

表1 南宁市邕江河段基本水温参数

考虑到水文站与项目取水点有一定的距离偏差，且由于获取水文资料的统计累年数偏少，从工程保守的角度以及机组选型方便的需要，本设计确定了以下江水设计温度：夏季供回水温度分别为30 ℃和35 ℃；冬季供回水温度分别为15 ℃和10 ℃。

2 江水源热泵系统的水质要求和水处理措施

2.1 水质要求

对于进入江水源热泵机组的水质，规范GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》及文献[3]给出了参考指标：pH值为6.5～8.5，CaO含量＜200 mg/L，矿化度＜3 g/L，Cl-＜l00 mg/L，SO42-＜200 mg/L，Fe2+＜l mg/L，H2S＜0.5 mg/L，含砂量＜10 mg/L[2,3]。

上述文献同时也指出，当水源的水质不能满足要求时，应采取过滤、沉淀、灭藻、阻垢、除垢和防腐等措施；仍不满足使用需求时，可设热交换器换热或采用特殊的换热装置。

由此可见，地表水未经处理直接进入机组是不可取的。按规范要求，应对直接进入热泵机组的江水进行必要的水处理。

2.2 水处理措施

本项目所在地南宁市的相关河段，总体上属于Ⅱ～Ⅲ类水质，部分河段达到Ⅳ～Ⅴ类水质[5]，水质污染主要为有机物污染[6]。就江河水质而言，大部分水体的水质均不能满足机组直接进水要求，主要是含沙量不能满足要求[3]，因此，需要对进入江水源热泵机组的江水作进一步的水质处理。

根据南宁市邕江河段的水质情况，结合系统设计需求，南宁博物馆江水源热泵空调系统采取了如下水处理流程：

取水头部格栅拦截→旋流除砂器→中间水池沉淀→Y型过滤器→全程水处理器→自动在线清洗装置。

3 江水源热泵空调系统流程

3.1 系统形式

江水源热泵系统根据水源测环路可分为开式系统和闭式系统[3,4]，开式系统直接从江河取水送入机组换热器或中间换热器换热；闭式系统是将换热盘管置于江河水底，通过盘管内的循环介质与江河水体换热。闭式系统需要将盘管沉入江河，可能影响航道通航；循环介质的温度一般要比地表水温度低2～7 ℃[3]，在夏热冬暖地区夏季水温较高的情况下，换热效率较低，所以，本项目不考虑选择闭式系统。

开式系统又可分为直接式和间接式系统。直接式和间接式系统的区别是在热泵机组前端是否安装有中间换热器，如图3，图4所示。

图3 直接式系统示意图

图4 间接式系统示意图

如采用间接式系统，不仅需要增加一级循环泵，增加输送能耗；而且，由于本项目地处夏热冬暖地区，夏季江水温度偏高，设计温度已达30 ℃，若采用间接式系统将会有1.5～2 ℃的温差损失，机组进水温度将接近传统冷却塔出水温度32 ℃，对系统能效提升十分不利。在相同条件下，直接式地表水系统的制冷制热效率要高于间接式地表水系统，在条件允许的状况下应尽量采用直接式地表水系统[3]。笔者调查了广西实际采用的江水源热泵空调系统，发现大量工程采用了江河水直接进入冷水（热泵）机组的方案。考虑到提升系统能效需要，且冬季水温偏高，不存在结冻的问题，本项目采用直接式系统。同时，选择加厚换热器铜管管壁的热泵机组，在此基础上通过设置旋流除砂器、自动在线清洗装置等常规物理水处理设施，以满足工程实际需要。需要指出的是，采用间接式系统更有利于水质处理，建议不同地区不同项目结合自身特点综合比较后确定系统形式。

3.2 系统流程

本项目江水源热泵空调系统，设置水源热泵机组3台，每台制冷量为1146 kW，制热量为1216 kW。根据当地江水水温、水质的实际情况采用了开式直接系统。为了更好地说明系统流程，本文将系统简化为一台主机，如图5所示。

夏季制冷开启阀门V1、V3、V5、V7，关闭阀门V2、V4、V6、V8，江水进入冷凝器，蒸发器产生冷水；冬季供暖开启阀门V2、V4、V6、V8，关闭阀门V1、V3、V5、V7，江水进入蒸发器，冷凝器产生热水。

源侧采用直接开式系统。江水从引水管自流进入江边取水井，通过潜污泵（源侧一级水泵）输送至博物馆主机房附近的中间水池，经源侧二级水泵进一步输送至主机换热，最后等流量流回邕江取水口下游。江水夏季制冷时供回水设计温度30/25 ℃，冬季供暖时供回水设计温度15/10 ℃。

设置中间水池的目的，一是可对江水沉淀和调节，二是可结合景观用水的需要，实现取水设施两种用途。但是，到项目竣工时止，景观水景部分未能实施。这也给本项目的综合效益产生了一定影响。

空调末端冷热水系统采用一次泵闭式系统，属于常规水系统流程，夏季制冷时供回水设计温度7/12 ℃，冬季供暖时供回水设计温度45/40 ℃，不再赘述。

图5 系统流程示意图

4 取水设施设计

江水源热泵空调系统取水设施是系统的重要部分。南宁博物馆的取水设施主要包括引水管、取水井、取水泵及相关管路。在项目设计阶段应重视取水设施建设审批，并结合项目实际情况通过技术经济比较确定适合的取水方案。

4.1 审批流程

取水设施涉及航运安全和水资源保护等问题，必须向当地水利、航运部门提出申请。各地关于江河水取水审批流程可能会有不同，就本项目所走流程而言，基本上包括：设计单位向项目业主提出初步方案→项目业主委托与水利相关单位出具《水资源论证报告》→业主向水利局提出《取水许可申请书》、《入河排污口设置申请书》等→市水利局批复。

4.2 取水方式

常见取水方式包括岸边取水、中心取水、浮船取水、渗滤取水、干式泵房取水等[3,4]。尽管各种文献采用了不同的名称，但总的来说，可归结为岸边泵房、浮船取水、渗滤取水三种方式。根据工程经验，岸边泵房的方式除了需要考虑景观的影响、洪水水位等因素外，基本都需要围堰施工，工程量大；而渗滤取水在河道底部设置渗滤设施，在流动的江河取水基本上是不可能完成的任务；浮船取水，对航运和景观的影响非常大，也很难实现。无论何种取水方式，取水构筑物的建设都存在较大难度，也是取水设施的主要初投资所在。南宁博物馆的取水与上述文献介绍的取水方式有所区别，相关文献未见介绍，笔者称之为岸边深井取水，如图6所示。

图6 岸边深井取水设施示意图

取水井离江边约60 m，井面与江边公园绿地平齐，无突出地面的泵房，兼顾了江边公园景观需要；采用潜污泵深井取水，设备管道方便固定，可经受洪水冲击；除河道边有一根取水管外无其他设施，不影响航运安全。在施工工艺方面，采取的以下措施有利于保证工程进度和降低初投资：取水井采用沉井法施工，无需围堰及护壁；取水管采用顶管法从井内向外推进，避免了大面积开挖。

5 江水源热泵空调系统的特点与评价

5.1 主要特点

本江水源热泵系统主机夏季可制冷、冬季可制热，无需配置影响建筑立面的冷却塔；无需配置冬季供暖的燃气燃油锅炉或空气源热泵等制热设备，对安全、环保、噪声、建筑美观影响少。

与常规的冷热源系统相比，由于江水夏季冷却温度较低以及冬季换热温度较高，机组具有较高的能效，节能效果较好，在近江水源处有利于可再生能源建筑规模化应用。

由于没有采用传统水源，夏季制冷时没有冷却塔漂水，节水效果显而易见；冬季制热时，没有使用燃油燃气设备或空气源热泵，对于人员密集的公众场馆来说，避免了安全隐患或噪声干扰。

5.2 投资增量及运行费用

一般情况下，江水源热泵空调系统初投资要高于常规的冷热源系统。其投资增量与常规冷却塔系统相比，取水设施的建设是增量的主要部分。但从本项目建筑造型美观的角度考虑，如果采用常规的冷热源系统，势必还要在博物馆周围地块另建冷却塔平台、燃油燃气设备机房或空气源热泵平台，综合考虑这些因素后，经估算，本项目投资增量及运行费见表2。

表2 投资增量及运行费用比较

投资增量71万元，每年节省运行费14万元，按静态投资回收期计算，回收年限为5.07年。

5.3 能效评价与社会效益

地源热泵系统性能共分3级，1级最高，级别划分见表3[7]。

表3 地源热泵系统性能级别划分

本设计系统制冷能效比达到3.72，系统制热性能系数达到3.42，根据上述评价标准，性能为2级。

项目建成后，多次接受社会观摩，对南宁市乃至广西可再生能源建筑规模化应用的推广起到了宣传和示范作用，具有一定的社会效益。

6 几点体会

江水源侧进出水设计温度，应根据当地水文站历年记录的的实测数据进行数据分析确定，避免盲目性。

江水未经处理直接进入机组是不可取的。江水进入机组前应进行必要的水处理，机组宜采用特殊的换热装置。

虽然采用间接式系统更有利于满足机组水质要求，但采用直接式系统更有利于机组换热，对江水温度较高的夏热冬暖地区尤为重要，不同地区不同项目可结合自身特点综合比较后确定系统形式。

在项目设计阶段应重视取水设施建设审批，并结合项目实际情况通过技术经济比较确定适合的取水方案。

岸边深井取水是本项目的特色，可很好地配合景观建设、不影响航运安全、设备管道可抗击洪水冲击。沉井法、顶管法等施工工艺避免了围堰和大面积开挖。

江水源热泵空调系统是可再生能源建筑规模化应用的形式之一，具有一定的社会效益。

[1] 戎向阳,高庆龙,闵晓丹.长江上游江水源热泵系统取水设计温度取值研究[J].暖通空调,2011,41(3):108-111..

[2] GB 50366-2009,地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005:56.

[3] 徐伟.地源热泵技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:228-238.

[4] 陈晓.地表水源热泵理论及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2011:68-74.

[5] 唐艳红,童张法,唐艳葵,等.邕江南宁段水质现状及防治对策探讨[J].地质灾害与环境保护,2006,17(2):33-36.

[6] 韦兴荷.邕江南宁市区段水质时空变化规律分析[J].水资源保护,2005,21(6):49-52.

[7] GB/T 50801-2013,可再生能源建筑应用工程评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012:35.

Design of River Water Source Heat Pump Air Conditioning System for Nanning Museum

Liang Zengyong

( Hualan Design & Consulting Group, Nanning, 530011 )

Presents the design features of river water source heat pump air conditioning system for Nanning Museum, including the determination of river water temperature, water disposal measures, system forms, system flow, water intaking devices, result evaluation, etc. Indicates that river water temperature should be determined after analyzing measured data, necessarily water disposal measures should be taken for river water which is added into heat pump sets, and special treatment is required for the heat exchangers of heat pump sets. The shoreside deep-well water intaking method which is taken in the design is distinctive in aspects of landscape construction, protecting shipping safety, stopping flood, construction methods, etc.

River water temperature; water quality; water dispose; open system; water intaking devices

1671-6612（2018）04-411-05

TU83

B

梁增勇（1964.02-），男，大学，教授级高级工程师，E-mail：liangzengyong@163.com

2017-10-17