水源熱泵空調系統及其廢熱利用

謝學海

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水源熱泵空調系統及其廢熱利用

謝學海

水源熱泵是一項節能環保，可再生的能源利用技術。本文通過水源熱泵系統在沈陽航空航天大學體育館的應用實例，就水源熱泵空調系統設計、工藝和在實際工程應用中應注意的問題進行了闡述且對水源熱泵系統廢熱的利用進行了探討。

水源熱泵在體育館空調系統的應用概況

沈陽航空航天大學體育館（以下簡稱體育館）空調系統負責夏季供冷，冬季供熱（比賽時使用）非比賽時間采暖由散熱器系統負擔，冷（熱）源由水源熱泵機組提供；過度季節泳池、新風和地面輻射采暖熱源由水源熱泵機組提供；冬季熱源由校區鍋爐房提供，供回水溫度為80/60℃。

體育館冷（熱）負荷

冬季和過渡季節熱負荷

游泳館熱風445kw， 游泳館地熱270kw，合計715kw。游泳池水加熱400kw，淋浴水加熱600kw（間歇運行）。

夏季冷負荷

主館空調冷負荷1920kw，主館新風冷負荷140kw，合計2060kw。訓練館負荷冷負荷240kw，健身房附屬房間風機盤管冷負荷430kw，合計670kw。按滿負荷85%考慮冷負荷應滿足2320kw。

主要設計參數

機組制冷量：

夏季主館空調不開時，由游泳池機組和淋浴機組滿足訓練館空調，最大制冷量為338+518=856k，其中淋浴水間間歇運行。

主館使用時，機組最大制冷量100*2+338+518=2336kw.

地下水最大用水量

由表一、表二、表三最大用水量為100*2+60+80=340m3/h

設備選型

依據體育館冷（熱）負荷使用情況和要求和選型軟件，進一步優化設計后，設備選型如下：

1.淋浴水加熱 水源熱泵機組SM-400M 1臺

2.泳池水加熱 水源熱泵機組SM-600M 1臺

3.空調 水源熱泵機組SM-700M 2臺

夏季制冷高峰負荷時4臺全開，可滿足體育館的使用，過度季節采暖時1臺機組即可滿足使用。機組互為備用負荷調解靈活、方便。

空調系統水源熱泵地下水源井成井工藝

地下水源熱泵因其環保節能近年得到廣泛應用，應用該系統的前提條件是系統取水回灌問題是否得到保證。本工程需要地下水量340m3/h， 結合水文地質勘察報告書，回灌井的物理、化學氣相等堵塞是造成回灌量減少的主要原因。為了盡量降低水源井的渾濁度，增加出水量，盡量提高回灌井的回灌效果，根據行業特點及技術規范，特提出如下工藝要求。

井群布置

提（回）水井數量

保證出水井抽水時的流速小于地下水的安全流速，共設4眼出水井，單水出水量分別為60m3/h、80 m3/h、100 m3/h、100 m3/h，回灌井數量為12眼。為更加穩妥起見，另設1眼備用調劑井，可做出水井，也可做回水井。

提水（回罐）井距

為保證地下水跟土壤的換熱量，保證地下水溫度的穩定，提水井群和回灌井群間距原則上為190m。

成井工藝

井壁管和管徑的技術要求

使用符合國標GB/T10002.1-2006給水用的PVC-U管材，公稱外徑250mm，公稱壁厚9.6mm，公稱 壓力1.00Mpa。基巖孔（段）孔徑為325mm，覆蓋層孔（段）孔徑為600mm。

對過濾器的技術要求

（1）覆蓋層孔（段）的PVC-U管開口率不小于10%（用開孔器鉆直徑4cm的進水孔，每米70個）。進水孔要按圖紙要求均勻合理布置。

（2）礫砂砂層需在孔式濾水管外面包扎一層8～14目尼龍濾網；粗砂砂層需在孔式濾水管外面在包一層20目尼龍濾網；中砂沙層需在包一層20～40目尼龍濾網；細砂以下的砂層須在包一層4～60目尼龍濾網。具體網目根據電法測井確定的砂層狀況決定。濾網要包扎嚴密。

井的技術要求

（1）打井深度要因地制宜、科學合理，打井深度100米左右，打進基巖后，再打2～5m的沉淀孔。

（2）轉進砂層可以用泥漿，但在下管之前須做破壁處理。

（3）下管時，每隔4～6m要綁扎一道找中圈，保證井管位于井孔中心。

（4）填樂石使用當地的天然礫石，粒徑具體尺寸根據測井確定的砂層狀況確定。填礫沙要均勻，連續填至井口。

（5）每眼回灌井安裝一臺反沖洗回楊泵，流量為50m2/h，不定期進行回楊。

（6）井口以下0.5m處安裝液位報警傳感器，回灌井安裝電池閥。由主控室控制器、液位傳感器、電池閥、回楊泵組成自動回楊系統，實現回灌井的自動回楊。

洗井

（1）用潛水泵抽水方式洗井，流量為100m3/h。每抽水4h左右停抽半小時，總洗井時間不少于24h。洗井要徹底，開泵前5min，取水樣目測清澈無沉淀為合格。

（2）抽水、回灌、反沖回楊泵管道要分別設置。抽水、回灌輸水管道除機房部分外，全部采用PVC-U或PE管材，盡量避免銹蝕物對回灌水造成污染。井中的回水管使用軟管，軟管要深入到靜水位以下10m，防止產生負壓引起氣相堵塞。

水源熱泵回灌系統廢熱利用的探討

水源熱泵系統回水井的回灌量隨著使用年限的增加，回水量逐年減少，每年還要對回水井進行洗井。體育館的主館與游泳館毗鄰，在夏季主館空調排除的廢熱經換熱器送給泳池和淋浴水加熱，即可減去每年洗井費用，又可利用廢熱，達到節能減排的目的。現就主館廢熱利用的可行性進行探討。

主館空調夏季供冷使用兩臺SL-700、一臺SL-600的螺桿式機組，機組冷卻水進入游泳池，通過游泳池水散熱。技術分析如下。

游泳池每小時需熱量計算（水溫按照28℃計算）：

維持各水池溫度恒定需要的熱量供給

各溫熱水池保持水溫恒定需要的總熱量，可按下述（1）——（3）計算耗熱量總和：

（1）游泳池標面蒸發和傳導損失的熱量；

（2）游泳池壁和池底傳導損失的熱量；

（3）管道的凈化水設備損失的熱量。

游泳池表面蒸發所損失的熱量

按下式（1）計算：

式中 Qx——游泳池水表面蒸發損失的總熱量（kcal/ h）；

y——與游泳池蒸發汽化潛熱（kcal/kg）；

vf ——游泳池水表面的風速（m/s），室內游泳池采用 vf=0.2～0.5 m/s；

Pb——與游泳池水溫相等的飽和空氣的水蒸汽分壓力（mmHg）；

Pq——游泳池表面空氣的水蒸汽壓力（mmHg）；

A——游泳池表面面積（m2）；

B——當地的大氣壓力（mmHg）。則游泳池：水溫28℃，表面積為：1250m2。蓄水量為：2000m3。

根據查表和相關經驗數據可知：

由此可知；

游泳池的水表面、池底、池壁、管道和設備等傳導所損失的熱量

游泳池水表面蒸發損失的熱量應按20%計算確定。

游泳池補充水加熱所需的熱量，應按下式（2）計算：

Qb——游泳池補充水加熱損失的熱量（kcal/h）；

qb——游泳池每日補充的水量（L）；

y——水常溫的密度（kg/L）；

tr——游泳池水的溫度（℃）；

tb——游泳池補充水的水溫（℃）；

t——加熱時間（h）。

由上式（2）計算結果，游泳池總的每小時散熱需加熱量可按下式（3）；

則每小時機組的輸出熱量為W1=509010÷860=592kW

該游泳池可滿足一臺SL-600的螺桿冷水機組的降溫要求。

游泳池水溫上升溫度

兩臺SL-700機組制冷量為1400kw，若用游泳池水來降溫，游泳池水量約2000 m3，則池水每小時升高溫度為：1400×0.86÷2000=0.60℃，主館空調一天最多運行4h，則水溫升高2.4℃。游泳池水溫由28℃上升到30.4℃，由于該空調開機頻率不是很高，對游泳池影響不大，可滿足系統使用要求。

結束語

1. 地源熱泵空調系統是一項跨專業跨學科的綜合能源利用技術，需要通過相關專業技術人員協助做好勘察、設計、施工、調試、合理運行等各項工作才能使系統達到節能環保。

2.水源熱泵回灌水可利用泳池、蓄水池等蓄熱體進行熱交換，達到降低初期投資、維護費和節能減排目的。

3.運行過程中應及時總結水源熱泵機組實際運行情況，使水源熱泵這項可再生能源技術得到健康有序的發展。

謝學海

沈陽航空航天大學

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.006