株洲市神農城湖水源熱泵空調系統的應用技術提煉

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(1.湖南工業大學包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業大學科技學院，湖南 株洲 412008；3.湖南天易集團有限公司，湖南 株洲 412008)

0 引 言

湖南省株洲市的神農城項目以神農文化為主題，集文化、旅游、商業于一體，是長株潭城市群“兩型”社會建設綜合配套改革實驗區之天易示范區的首個大規模城市開發項目。項目總投資超過100億[1-2]。其中，神農湖是整個項目中最重要的景觀工程，湖體水面面積約22萬m2，湖水平均水深2.5 m左右，水體總容量約56萬m3，并配備有設計循環水量為3 500 m3/h的水質凈化工程。為應用湖水源熱泵系統提供了便利條件。

為充分利用神農湖的水資源和閑置土地的地熱資源，因地制宜，最大限度節約投資和降低運行費用。神農城核心區采用湖水源(地源)熱泵集中供熱、供冷復合式中央空調系統。在冬季，地下熱交換器從湖水和土壤中取熱，通過水、地源熱泵制熱機組，制取熱水向建筑物供暖；在夏季，地下熱交換器向湖水和土壤排熱，通過水、地源熱泵制冷機組，制取冷水向建筑物供冷。水(地)源熱泵系統的能效比高，制冷、制熱系數可達4.0～5.8，通過與土壤和湖水在冬夏季的能量轉換，水、地源熱泵系統實現了可再生能源的循環利用，是真正意義上的綠色、節能、環保的空調系統[3-5]。

1 神農城水源熱泵空調系統應用簡介

神農城水源熱泵空調系統的供冷及供熱范圍包括：①神農太陽城(包括內、外圈建筑)；②神農部落街；③神農大劇院(包括神農塔)；④神農藝術中心。各建筑功能分區的空調負荷見表1。神農城分布式能源匹配系統分設有三個能源站，如圖1所示，神農太陽城內外圈和大劇院能源站主要為大劇院、內外圈建筑提供冷/熱源及生活熱水，系統采用燃氣三聯供+離心式電制冷機組+螺桿式電制冷機組(極小負荷時使用)+燃氣鍋爐+地源熱泵+水源熱泵機組的供能形式。藝術中心能源站主要為藝術中心提供冷/熱源，系統

采用地源熱泵+湖水源冷水機組形式為藝術中心提供穩定的冷/熱源。部落街能源站主要為神農部落街提供冷/熱源，系統采用地源熱泵+水冷冷水機組(湖水源或冷卻塔)為神農部落街提供穩定的冷/熱源。三個能源站即相對獨立又緊密聯系，充分的利用了神農太陽城的可再生資源，提高了系統的整體效率，同時完全滿足神農太陽城的安全用能要求。本工程各能源站采用湖水的量見表2。

圖1 神農城能源匹配系統分布示意圖

表2 各能源站湖水用量

2 湖水作為水源熱泵系統的冷熱源時提供的能量計算

湖水源熱泵系統的取水口設置在湖底的最深處，回水口設置在一般水深區或者親水區域。水泵的取水口與回水口的位置相隔一定的距離。根據設計院提供的逐時負荷，熱泵機組每天峰值負荷運行8 h左右。

2.1 神農城景觀湖湖水溫度預測

神農城景觀湖湖水最深4 m，親水區域水深小于0.7 m，平均深度約2.5 m。水面風力所產生的摻混作用會使垂直方向的水溫趨向一致。采用零維模型可預測景觀湖水的水溫[6]。采用該模型計算的神農湖自然平均水溫和水源熱泵運行后的水溫變化曲線如圖2和圖3所示，夏季自然平均水溫在29 ℃左右，冬季自然平均水溫在6.9 ℃左右。2002年我國頒布的《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中規定了人為造成的地表水體水溫變化允許范圍為：周平均最大溫升≤1 ℃；周平均最大溫降≤2 ℃[7]。熱泵系統尾水排放會引起局部水溫變化，且溫排水將影響水生生物的生長繁殖和加快水體富營養化進程，其影響大小主要取決于進出水的溫差和排放量。從圖2和圖3可見，水源熱泵運行前后的湖水溫變化幅度基本符合國家標準。

圖2 夏季景觀湖平均水溫變化圖

圖3 冬季景觀湖平均水溫變化圖

2.2 冬季湖水源能量計算

根據零維模型計算，冬季湖水的自然平均水溫在6.9 ℃左右。湖水的計算溫度為：起始溫度7 ℃；運行30 d后，湖水允許達到的極限溫度為5 ℃；由于淺水區域受外界環境溫度的影響非常大，因此只假設水深在2.5～4.0 m的湖水參加換熱，有效的換熱湖水體積約25萬m3。水源熱泵系統的蒸發器所需要的熱量全部由湖水提供，水源熱泵系統結合余熱回收聯合運行時的能效比COP的取值為3.8，由熱平衡關系式，經計算得到湖水提供的制熱量Q1為為3 298 KW。

2.3 夏季湖水源能量計算

根據零維模型計算，夏季湖水的自然平均水溫在29 ℃左右。湖水的計算溫度為：起始溫度29 ℃；運行30 d后，湖水允許達到的極限溫度為32 ℃；湖水的有效換熱體積為25萬m3。冷凝器產生的熱量全部排入湖水，導致湖水溫度升高。冷源來自景觀人工湖水的水源熱泵系統運行時的COP一般在4.2左右，本項目的COP取值為4.2，由熱平衡關系式，經計算得到湖水提供的制冷量Q2為為6 870 KW。

3 神農城水源熱泵系統的取水方式

水源熱泵系統在制冷工況時，冷源溫度越低熱泵效率越高；制熱工況時，熱源溫度越高熱泵效率越高。制冷時，經過換熱的水再次排放到水體中，如果取水口和排水口設置位置不當，排出的水還沒有經過充分的自然冷卻又從取水口進入系統，無疑降低了熱泵的效率。制熱工況亦然。

在本項目中，取、排水口的布置原則是深層取水、淺層排水；在湖水體中，取水口和排水口之間要求有一定的距離，以保證排水再次進入取水口之前溫度能最大限度的恢復，具體的布置如圖4所示。

圖4 水源熱泵系統取水示意圖

4 神農城水源熱泵系統能效分析

神農城再生能源建筑應用工程項目設計的指導思想為：① 保證本項目供熱/冷功能，創造舒適的室內空調環境；② 充分利用現有場地，最大限度節約投資和降低運行費用；③ 因地制宜，充分利用湖水水源和閑置土地的余熱條件；④ 結合周邊用能情況，做好示范，為今后大面積推廣使用打下基礎。

神農城項目采用分布式冷、熱、電三聯供系統+水源熱泵機組+地源熱泵機組的聯合式能源系統，以滿足其建筑的基本冷/熱源供應；采用水冷冷水機組+鍋爐進行調峰，并結合系統能效技術進行動態優化運行。神農城整體建筑年需冷量及需熱量分別是：年總需冷量約為67 585 013 kWh；年總需熱量約為34 822 566 kWh。表3對神農城聯合式可再生能源系統與傳統的能源系統的耗能量進行了對比。

表3 神農城聯合式可再生能源系統與傳統能源系統的耗能量對比

分析表3可以得出以下結論：神農城多能源系統比傳統單純水冷冷水機組+鍋爐的能源系統每年可節約能源量約為23 970 034 kWh，折合標準煤約為4 122.1 t。同時，有經驗表明[6]，采用水(地)源熱泵空調系統的運行費用遠遠低于采用傳統能源系統的運行費用，具有顯著的經濟效益和環保效益。

5 水源熱泵系統風險分析及解決措施

由于神農景觀湖的平均深度僅2.5 m，夏季湖水的溫度受空氣溫度影響較大，在極端高溫條件下，水底水溫可能會超過32 ℃，制冷機組運行效率非常低。在極端低溫條件下，湖水溫度可能會接近零度，這種超低溫水進入系統換熱后溫度進一步降低，如果換熱溫差過大，就會出現冰凍堵塞或者脹裂管道的危險，從而影響整個系統的安全運行。當進水溫度低于5 ℃時，需要啟動輔助加熱裝置，解決進水溫度過低的問題。

為提高系統供能的安全穩定性，本項目通過燃氣冷熱電聯產技術和水(地)源熱泵技術的集成使用來規避上述風險。一方面利用多聯供系統的余熱解決了極端條件下水源熱泵系統效率低、供能效果差的問題；燃氣多聯供系統和水源熱泵系統的組合使用可保證在制冷和制熱工況下，系統均可以采用燃氣和電力兩種能源實現供能，大大提高了項目能源供應的安全性。此外，水/地源熱泵系統可以充分利用多聯供系統余熱來提高水/地源熱泵系統的運行效率。通過與三聯供的聯合運行可以保證采暖供回水的溫度穩定在40～50 ℃的經濟工況下運行，與多聯供系統提供的高溫水混合后進一步提升供水溫度，完全滿足末端負荷的要求。

6 結束語

利用神農湖的湖水作為神農城核心區水(地)源熱泵集中供熱、供冷復合式中央空調系統的冷、熱源，既可克服傳統空調系統在極端天氣下不能正常工作的問題，同時又能節省能耗。在神農城采用湖水(地)源熱泵集中供熱、供冷復合式中央空調系統比傳統單純水冷冷水機組+鍋爐的能源系統每年可節約能源量約為23 970 034 KWh，折合標準煤約為4 122.1 t；采用水(地)源熱泵空調的運行費用遠遠低于傳統空調系統的運行費用。水(地)源熱泵技術的應用具有較好的經濟效益、環境效益和社會效益，符合國家“十二五”發展規劃及節能減排的要求，可作為國家水資源可持續發展和可再生能源綜合利用的一個典型工程，值得大力推廣。

[1] 柯于增.株洲神農城可再生能源系統的應用研究[D].長沙: 湖南大學, 2012: 22-26.

[2] 張 燕，佟 達，宋魁彥.生物質能的熱化學轉化技術[J].森林工程，2012,28(2):14-17.

[3] Yutaka Iino.Consideration on Systematic Analysis and Evaluation of Energy System Efficiency.in: SICE Annual Conference.Japan: Waseda University, 2011, 1390-1391.

[4] 陳 超.地表水源熱泵在吉林市應用的實驗研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2010: 17-20.

[5] 劉 瑩.水源熱泵改造工程成本控制方案研究[D].大連: 大連海事大學, 2013: 8-15.

[6] 王 勇, 賴道新, 范維.基于全壽命周期成本方法的地表水源熱泵系統分析[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版), 2011, 43(1): 75-81.

[7] 李瑞杰.水源熱泵機組在制取和供應生活熱水方面的節能應用[J].發電與空調, 2012, 33(3): 78-82.