韶山賓館地源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

周京林，李常春，王小純

（1.廣西鼎策工程顧問有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530028；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

地源熱泵系統(tǒng)因具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保及可再生等特點，國內(nèi)外眾多專家、學(xué)者對地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。

Hughes P J.指出，當(dāng)供冷負(fù)荷較大時，制冷所需的埋管長度要遠(yuǎn)大于加熱所需的盤管長度，為降低初投資，可用冷卻塔代替一部分埋地盤管，即混合型地源熱泵系統(tǒng)[1]。

1995年Kavanaugh指出：除了土地的有限性、地下埋管費用太高等因素外，考慮采用混合系統(tǒng)的另一個主要原因是平衡全年從土壤中的取放熱量，從而避免地下土壤“熱積累”現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

1998年，Singh以實際運行的混合地源熱泵系統(tǒng)為對象，開展了其經(jīng)濟(jì)性的研究，結(jié)果表明：混合系統(tǒng)相對單地源熱泵系統(tǒng)，雖然在運行與維修費用上略高，但初投資小得很多，混合系統(tǒng)總的經(jīng)濟(jì)性比較明顯[3]。

2006年東南大學(xué)楊衛(wèi)波等對混合地源熱泵系統(tǒng)的控制策略、設(shè)計方法及其優(yōu)化進(jìn)行了研究[4]。2008年南京師范大學(xué)吳躍進(jìn)、陳正順對南京地區(qū)混合式地源熱泵系統(tǒng)可行性與初投資進(jìn)行了研究[5]。

2009年，湖南大學(xué)陳友明等對長沙地區(qū)一棟辦公大樓混合地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究，結(jié)果表明，采用新型混合地源熱泵系統(tǒng)，比采用傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)的初投資，節(jié)省約14％[6]。

我國中南地區(qū)屬夏酷熱冬寒冷氣候，夏季需制冷，冬季需采暖，冷負(fù)荷和熱負(fù)荷都比較大。本文以湖南韶山市韶山賓館空調(diào)熱水系統(tǒng)為實例，來研究夏熱冬冷地區(qū)樓層不高的地源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，為該地區(qū)地源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)設(shè)計理論和工程實踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況

賓館位于韶山市韶山?jīng)_，距毛澤東故居約500 m，因接待過毛澤東、鄧小平、江澤民等近百位黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人以及胡志明、西哈努克等100多位外國元首、政府首腦、政黨領(lǐng)袖，被稱為“國賓館”。賓館共有客房6棟，樓層最高為6層，標(biāo)準(zhǔn)客房200多套間，高中檔床位360多個，大小會議室15個，大小餐廳15個，現(xiàn)有建筑面積約為5萬m2。

賓館目前使用的能源以煤為主，空調(diào)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組制冷機(jī)用蒸汽、衛(wèi)生熱水熱源和少量廚房洗衣房用蒸汽，全都由燃煤蒸汽鍋爐提供，年耗煤量約2 800 t，每年產(chǎn)生SO2為38.4 t以及煙塵4.0 t，給當(dāng)?shù)卦斐闪藰O大污染。韶山賓館所在地為風(fēng)景區(qū)，對環(huán)境保護(hù)有很高的要求，當(dāng)?shù)卣鞔_要求賓館在2010年拆除燃煤鍋爐，改用清潔能源替代，于是賓館的冷熱源改造進(jìn)入日程。

2 建筑空調(diào)熱水負(fù)荷計算

2.1 空調(diào)負(fù)荷

項目各建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷估算如表1所示。

表1 空調(diào)負(fù)荷估算

空調(diào)使用系數(shù)，根據(jù)實以往經(jīng)驗選擇0.85，因此賓館空調(diào)的最大設(shè)計冷負(fù)荷和最大設(shè)計熱負(fù)荷如下：

最大設(shè)計冷負(fù)荷3 765×0.85=3 200 kW；

最大設(shè)計熱負(fù)荷2 580×0.85=2 193 kW。

2.2 生活熱水負(fù)荷

按照國家對生活熱水需求標(biāo)準(zhǔn)，賓館生活熱水需求量夏季設(shè)計為30 t，過渡季節(jié)設(shè)計為40 t，冬季設(shè)計為50 t。韶山市夏季自來水溫度約為21℃，過渡季節(jié)自來水溫度約為18℃，冬季自來水溫度約為15℃，熱水出水溫度設(shè)定為50℃，則不同季節(jié)制熱水需熱量為：

夏季30（t）×29℃（溫升）×1.163=1 011 kW

過渡40（t）×32℃（溫升）×1.163=1 488.6 kW

冬季50（t）×35℃（溫升）×1.163=2 035.2 kW

熱水機(jī)組按照每天運行12 h計算，則夏季系統(tǒng)每小時所需要的熱量為84.25 kW，過渡季節(jié)系統(tǒng)每小時所需要的熱量為124 kW，冬季系統(tǒng)每小時所需要的熱量為169.6 kW。

3 系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

3.1 現(xiàn)有資源

韶山賓館所在地雨水充足，淺層土壤含水豐富，土壤溫度18～20℃，且賓館占地較大，可用于地下埋管的面積較充足，韶山賓館具備實施地源熱泵系統(tǒng)的條件。根據(jù)建設(shè)單位所提供資料，天然氣部門擬敷設(shè)燃?xì)夤艿乐临e館所在區(qū)域，供氣意向協(xié)議已簽訂，另外賓館原有空調(diào)系統(tǒng)有4個流量為350 m3/h的冷卻塔。改造工程可充分利用地?zé)帷⑻烊粴庖约袄鋮s塔等現(xiàn)有資源，減少工程初投資。

3.2 經(jīng)濟(jì)性因素

韶山賓館作為賓館，是以盈利為目的的單位。所以賓館的空調(diào)和熱水改造工程，必須要考慮到初投資成本、運行費用以及投資回收期等因素。地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行成本低，效果穩(wěn)定，但相比天然氣鍋爐制熱或水冷冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)，多增加了地下埋管費用，工程造價上比這些系統(tǒng)要高很多。

3.3 地下土壤熱平衡因素

賓館最大設(shè)計冷負(fù)荷為3 200 kW，最大設(shè)計產(chǎn)暖負(fù)荷為2 193 kW，熱水每小時最大設(shè)計熱負(fù)荷為169.6 kW。冷熱負(fù)荷相差非很大，如果單純由地下埋管換熱器承擔(dān)，那么地下?lián)Q熱器的吸熱和放熱極不平衡，多余的熱量就會在地下積累，引起地下土壤年平均溫度的變化。

3.4 負(fù)荷波動性因素

賓館空調(diào)和熱水負(fù)荷需求具有有波動性，隨著室外溫度的波動以及賓館入住率的不同，空調(diào)和熱水負(fù)荷需求也隨之發(fā)生變化。根據(jù)建設(shè)單位提供的2009年9月至12月日耗煤量統(tǒng)計，可以得出該時間段內(nèi)賓館負(fù)荷分布情況見下表2。

表2 賓館負(fù)荷分布情況

從表中可看到，空調(diào)和熱水在滿負(fù)荷的80％～100％工況下運行時間比較短，該工況所提供的總負(fù)荷占全年總負(fù)荷的比例也比較少，大約占10％左右。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 方案設(shè)計

基于現(xiàn)有資源及政治性、經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷波動性和地下土壤熱平衡等因素綜合考慮，韶山賓館空調(diào)熱水改造項目設(shè)計，采用冷卻塔+燃?xì)忮仩t+地源熱泵混合的空調(diào)熱水冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)以地源熱泵制冷和采暖為主，冷卻塔散熱和燃?xì)忮仩t供熱為輔。地源熱泵按系統(tǒng)空調(diào)產(chǎn)暖最大設(shè)計負(fù)荷的80％即1 754.4 kW（2 193 kW×80％）和冬季最大熱水需熱量169.6 kW設(shè)計，剩下的20％空調(diào)熱負(fù)荷，由燃?xì)忮仩t承擔(dān)。地源熱泵與燃?xì)忮仩t設(shè)計采用串聯(lián)運行模式，通過空調(diào)水溫控制鍋爐的運行。

圖1 韶山賓館地源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)圖

夏季空調(diào)制冷，則由地下埋管換熱器和冷卻塔共同承擔(dān)。對于同一臺熱泵機(jī)組，制熱量比制冷量稍大一點，制冷時機(jī)組向外界散發(fā)的熱量，比制熱時從外界吸收的熱量要多，又考慮到賓館高層只有6層，因此系統(tǒng)設(shè)計采用冷卻塔與地下埋管換熱器并聯(lián)連接運行方式，通過控制冷卻水溫度來控制冷卻塔的啟停。并聯(lián)連接運行方式下，地下埋管換熱器可以按熱泵機(jī)組的制熱量為設(shè)計依據(jù)，從而減少了地下埋管換熱器的初投資，也有助于地下土壤熱平衡。熱泵機(jī)組冬天制熱所需熱負(fù)荷全部由埋管換熱器去提供，熱泵機(jī)組夏季制冷的冷凝熱，主要由埋管換熱器承擔(dān)，剩下的熱可以由冷卻塔承擔(dān)。

考慮到系統(tǒng)既有熱水需求，又有空調(diào)制冷需求，系統(tǒng)設(shè)計采用空調(diào)熱水冷熱聯(lián)供方式，夏季用空調(diào)制冷產(chǎn)生的冷凝熱制熱水，熱水耗能。另外，系統(tǒng)的熱水需求量具有比較大的波動性，隨著季節(jié)的不同，熱水需求量差異比較大，一般冬季需熱水量大，夏季需熱水量少。為了在熱水變負(fù)荷工況下節(jié)能以及便于控制，系統(tǒng)采用獨立的地源熱泵熱水機(jī)組。

4.2 機(jī)組和設(shè)備選型

（1）地源熱泵空調(diào)機(jī)組。地源熱泵空調(diào)機(jī)組選用2臺型號分別為MWH160CC和MWH220CC的水—水螺桿式水源熱泵機(jī)組。

MWH160CC機(jī)組參數(shù)為：制冷量532 kW，耗電量為116 kW；

MWH220CC制熱量為773 kW，耗電量為144 kW；

機(jī)組參數(shù)為：制冷量675 kW，耗電量為144 kW；制熱量為977 kW，耗電量為180 kW。

MWH160CC和MWH220CC兩臺熱泵機(jī)組總的制熱量為1 750 kW，能滿足最大設(shè)計產(chǎn)暖負(fù)荷的80％的要求。

（2）鍋爐。燃?xì)忮仩t選擇功率0.45 MW的鍋爐，鍋爐制熱量為450 kW。

（3）地源熱泵熱水機(jī)組。地源熱泵熱水機(jī)組選用2臺D100和1臺D150地源熱泵熱水機(jī)組。

D100機(jī)組參數(shù)：制熱量為52 kW，制冷量為41 kW，耗電量為12.4 kW；

D150機(jī)組參數(shù)：制熱量為89.8 kW，制冷量為71.1 kW，耗電量為21.4 kW。

夏季只開啟D150熱水機(jī)組制熱水，過渡季節(jié)就采用1臺D100和D150聯(lián)合運行制熱水，冬季則3臺熱水機(jī)組全部開啟。

（4）水冷冷水機(jī)組。水冷冷水機(jī)組選用2臺型號分別為EKSC245和EKSC310的螺桿式水冷冷水機(jī)組。

EKSC245機(jī)組參數(shù)：制冷量為 868.4 kW，耗電量為176.4 kW；

EKSC310機(jī)組參數(shù)：制冷量為1 094.8 kW，耗電量為226.6 kW。

夏季2臺WMH型螺桿式水源熱泵機(jī)組、2臺EKSC型螺桿式水冷冷水機(jī)組制冷量和1臺D150熱水機(jī)組總制冷量為3 241 kW，完全可以滿足賓館夏季供冷高峰的需求。

5 地下埋管換熱器設(shè)計

5.1 地下埋管換熱器設(shè)計的負(fù)荷依據(jù)

賓館地埋管換熱器換熱量，以冬季熱泵空調(diào)機(jī)組和熱水機(jī)組的制熱量為設(shè)計依據(jù)，2臺熱泵空調(diào)機(jī)組和3臺熱泵熱水機(jī)組總的制熱量為1 944 kW。由下述公式可以計算出制熱時地埋管需要從地下吸取的熱量

其中，

Q'2為冬季熱泵機(jī)組制熱時地下埋管換熱器從土壤吸取的熱量，kW；

Q2為冬季熱泵機(jī)組的總制熱量，kW；

COP2為設(shè)計工況下熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)，根據(jù)已有系統(tǒng)測試，COP2取值為4。

5.2 地下埋管換熱器設(shè)計

初步設(shè)計地埋管鉆井總數(shù)為540口，每口井深度設(shè)計為50 m，井與井間隔4.5 m，采取雙U形式。換熱管選用1.60 MPa的DN25 PP-R冷水管，聯(lián)結(jié)方式設(shè)計采用并聯(lián)同程式。

6 結(jié)束語

分析了賓館空調(diào)熱水設(shè)計需要綜合考慮的經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷波動性、地下土壤熱平衡以及現(xiàn)有資源等因素；綜合初投資成本、節(jié)能性、地下土壤熱平衡以及負(fù)荷波動性等因素考慮，因地制宜、因工程制宜將系統(tǒng)設(shè)計采用冷卻塔+燃?xì)忮仩t+地源熱泵混合的空調(diào)熱水冷熱聯(lián)供方式；考慮到系統(tǒng)冷熱負(fù)荷不均，系統(tǒng)設(shè)計采用冷卻塔和地下埋管換熱器并聯(lián)運行模式，以冬季制熱量作為熱泵機(jī)組的選擇依據(jù)，并以冬季熱泵機(jī)組的總制熱量作為地下?lián)Q熱器的負(fù)荷設(shè)計依據(jù)。該系統(tǒng)具有高效節(jié)能、初投資和占地面積相對純地源熱泵要少、消除地下冷熱不平衡以及有效利用現(xiàn)有資源等優(yōu)勢。

[1]Hughes P J.Survey of water-source heat pump system configurations in currentpractice [J].ASHRAE Transactions，1990，90012（1）：1021-1028.

[2]Kavanaugh S P，K Rafferty.Ground-Source Heat Pumps：Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings[M]. Atlanta：ASHRAE，lnc，1997.

[3]Chiasson.A.D，J.D.Spider，S.J.Rees，et al.A model fox simulating the performance of a Pavement Heating System as Supplemental heat rejecter with closed loop ground source heat pump systems[J].ASME Journal of Solar Energy Engineering，2000，（122）：183-191

[4]楊衛(wèi)波，施明恒.混合地源熱泵系統(tǒng)（HGSHPS）的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25（3）：20-26.

[5]吳躍進(jìn)，陳正順.南京地區(qū)混合式地源熱泵系統(tǒng)可行性與初投資的探討[J].流體機(jī)械，2008，36（8）：70-72.

[6]陳友明，李季勛.夏季新型混合地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報，2009，36（12）：114-118.