淺層地能技術(shù)在廣播劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應用

唐靈通

摘要：文章闡述了淺層地能熱泵系統(tǒng)概念，介紹了水源熱泵工藝技術(shù)，分析了所在地區(qū)水文地質(zhì)條件、水資源利用的可行性及對地下水資源的相關(guān)影響，重點闡述了水源熱泵系統(tǒng)在廣播劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應用及實施并對節(jié)能效果進行了比較。實際運行數(shù)據(jù)顯示：該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；水資源分析；空調(diào)改造；節(jié)能效果；地能技術(shù)；廣播劇場 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU852 文章編號：1009-2374（2016）18-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.042

節(jié)約資源和保護環(huán)境是我國的基本國策，為緩解能源供應緊張狀況、保護生態(tài)環(huán)境，為實現(xiàn)“十一五”期間單位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放總量減少10%的節(jié)能減排目標，保障國家能源安全，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，廣播劇場傳統(tǒng)的燃煤采暖方式和普通的電力供冷形式已經(jīng)不能滿足節(jié)約資源的基本國策，替代能源——地源熱泵系統(tǒng)的大量應用，為此提供了節(jié)能的更好途徑。

1 淺層地能熱泵系統(tǒng)概述

1.1 淺層地能簡介

淺層地能是指在太陽能和地心熱的綜合作用下，在大地表層（一般400m以內(nèi)）的土壤、砂石和地下水中所蘊含的低溫熱能。其特點是溫度適中、相對恒定、儲存量大、分布廣泛，是取之不盡、用之不竭的“綠色能源”，是目前世界用于建筑物供暖最普遍的可再生能源。

1.2 水源熱泵技術(shù)介紹

1.2.1 熱泵工藝。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

1.2.2 熱泵用水工藝。

（1）在制冷模式時，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機出來后進入冷凝器，向抽取的地下水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高。到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時吸收水的熱量，該水又通過管道系統(tǒng)回灌到地下。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)住復。此時，制冷環(huán)境需要的冷凍水在蒸發(fā)器中獲得；（2）在供熱模式時，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機壓出后進入冷凝器同時排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時，供熱環(huán)境需要的熱水在冷凝器中獲得。

2 水資源利用可行性分析

2.1 用水合理性分析

根據(jù)廣播劇場熱泵夏季高峰需水量為35.4m3/h，冬季高峰需水量為18.9m3/h。熱泵一般運行時需水量按照高峰需水量85%計算，則夏季一般用水量為30.1m3/h，冬季一般用水量為16.1m3/h。

該系統(tǒng)在用水過程中只是利用地下水中的低溫熱能，地下水除溫度變化外，抽取上來的地下水與外界沒有發(fā)生物質(zhì)交換，整個用水過程也不改變地下水水量的變化，用過的地下水通過回灌井又全部回灌地下，熱泵運行時既不消耗水也不增加水，同時又不會產(chǎn)生污染，地下水除溫度變化外沒有其他任何變化。所以項目用水不會影響當?shù)厮Y源變化，從而達到了保護地下水資源的目的，所以熱泵用水是合理的。

2.2 地層含水量分析

根據(jù)北京市水務局對復興門地區(qū)地層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、第四系含水層的分布規(guī)律及其富水性研究報告，該地區(qū)工作區(qū)第四系地下水水質(zhì)硬度、總礦化度較高，按地下水質(zhì)量標準分類為Ⅳ類水，根據(jù)工程需要，在東門先期開鑿了一眼勘探井，井深76m，井徑800mm，管徑500mm，下入花管47.2m，花管上部位置埋深13.1m。通過抽水試驗得知：靜水位23.45m，穩(wěn)定動水位32.86m，水位降深9.41m，涌水量50.68m3/h（1216.32m3/d），水溫14℃，基本恒溫。由于熱泵用水對水質(zhì)沒有特殊的要求，水溫需要較穩(wěn)定，故該地區(qū)地下水水質(zhì)、水溫均可以滿足項目熱泵系統(tǒng)用水需求。

綜上所述，本區(qū)的水文地質(zhì)條件可以滿足廣播劇場水源熱泵系統(tǒng)建設項目的供水水源要求。

2.3 取水、用水、退水影響分析

該水源系統(tǒng)項目采用“抽灌分離”技術(shù)，只利用地下水恒溫的冷熱量來實現(xiàn)制冷、制熱的目標，不消耗水資源，不污染水環(huán)境。其取水和回灌方案能夠保證將取出的地下水經(jīng)能量交換后全部回灌地下，從而達到不消耗、不浪費地下水資源，因此，該水源熱泵系統(tǒng)取用水時不會對區(qū)域水資源及周邊其他用水單位產(chǎn)生影響。

3 水源熱泵系統(tǒng)在劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應用

廣播劇場工程總建筑面積約為7900m2，共三層，為劇場和辦公兩部分，其中劇場部分建筑面積大約為1200m2。原劇場部分原有兩臺40萬大卡冷水機組夏季制冷，冬季熱源由二次水提供；辦公部分冬季熱源由二次水提供，末端為散熱器系統(tǒng)。由于辦公樓拆遷，劇場原冷熱源已經(jīng)切斷，需重新為劇場選擇冷熱源。

3.1 冷熱負荷計算

本工程采用冷熱負荷指標估算法計算冷熱負荷：

3.1.1 采暖熱負荷。

Qr=F·q1/1000

式中：

F——供暖面積（m2）

q1——供暖熱指標（W/m2）

本工程取建筑熱負荷指標為90W/m2，則建筑采暖熱負荷為711kW。

3.1.2 冷負荷。根據(jù)工程實際情況，原有兩臺464kW冷水機組，制冷量共計為928kW。

3.2 能量采集系統(tǒng)

廣播劇場熱泵提取7℃溫差時，高峰需水量為35.4m3/h。所以廣播劇場開鑿2眼熱泵用水井，采用1抽1灌的方案即可滿足劇場供暖和制冷需求。水井布設依據(jù)水務局規(guī)定和要求，井間距離大于50m，井與建筑物的距離大于30m。1號用水井位于廣播劇場東側(cè)約31m，距離南業(yè)務樓約為33m，廣播劇場為二層建筑，高度在15m左右，南業(yè)務樓10層，高度約30m；2號井位于廣電總局東門外家屬樓之間綠地內(nèi)，距離家屬樓分別為32m和48m，該家屬樓為15層建筑，建筑高度約45m。2號井距離西二環(huán)地鐵線120m左右，而熱泵用水井地下水位影響距離一般不超過60m，水溫影響經(jīng)數(shù)值模擬模型進行預測后影響范圍在30～35m以內(nèi)，所以熱泵用水井對西二環(huán)地鐵線不會產(chǎn)生影響，同時1號井和2號井間距為56m。

3.3 能量提升系統(tǒng)

依照建筑特點及冷熱負荷計算結(jié)果，按總冷負荷和總熱負荷確定主機數(shù)量。系統(tǒng)冬季向末端提供55/50℃熱水，夏季向末端提供7/12℃冷凍水。系統(tǒng)選用一臺YSSR-600A地能熱泵主機滿足建筑物的冬季供暖、夏季制冷需求。

3.4 能量釋放系統(tǒng)

3.5 系統(tǒng)水處理及系統(tǒng)定壓補水

采用自動加藥裝置，設穩(wěn)壓補水裝置，設壓力傳感器測得系統(tǒng)壓力并與設定值比較低點啟動補水泵、高點停泵，同時將壓力信號送至定壓罐上的電動閥及安全閥使其在不同的設定壓力下開啟，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3.6 系統(tǒng)節(jié)能控制

主機為微電腦全自動控制，具備自動調(diào)節(jié)功能，根據(jù)設定參數(shù)進行能級調(diào)節(jié)，在滿足冷熱負荷的同時最大限度節(jié)能；主機與相關(guān)循環(huán)水泵連鎖，主機開啟則相應井水泵、末端泵開啟，如主機關(guān)閉則關(guān)閉相應井水泵、末端泵；本系統(tǒng)由主機自帶PLC進行群組控制，各主機按累計運行時間優(yōu)先啟停；主機設RS485通訊接口，與外界遠程通訊傳輸數(shù)據(jù)。

4 廣播劇場采用水源熱泵節(jié)能效益分析

4.1 廣播劇場冬季供暖運行經(jīng)濟分析

5 水源熱泵系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

廣播劇場水源熱泵系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)開機后劇場內(nèi)溫度由17℃上升到24℃，井水溫度經(jīng)過開機后降低2℃后，平穩(wěn)在13℃左右，井水回水溫度在8℃左右，室內(nèi)溫度達到設定數(shù)值，機組停機，井水進口、出口溫度接近，工作狀態(tài)溫差5℃左右，表明機組運行正常。

通過以上分析及運行實際表明，地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能、運行費用低、系統(tǒng)安全可靠、使用區(qū)域零污染、保護地下水、節(jié)約水資源、改善能源結(jié)構(gòu)等特點，是目前其他傳統(tǒng)方式不可比擬的，是最為理想的供熱制冷方式。

參考文獻

[1] 北京市地質(zhì)工程勘察院.廣播劇場水源熱泵項目水資源論證報告[R].

（責任編輯：王 波）