上海地區江水源空調系統中江水換熱方式的研究

劉靜君（上海國際航運服務中心開發有限公司，上海 200082）

上海地區江水源空調系統中江水換熱方式的研究

Study on Heat Exchange Method of River Source Pump Air Conditioner in Shanghai

劉靜君（上海國際航運服務中心開發有限公司，上海 200082）

江水與空調機組之間的換熱方式是江水源空調系統的設計應用與推廣的關鍵環節之一。對直接式和間接式江水換熱方式進行了深入研究，并依托上海國際航運服務中心能源中心項目對兩種換熱方式的經濟性進行調研分析，為今后上海地區的江水源應用項目提供實踐經驗，也為國內同類型項目的水源換熱環節設計提供參考依據。

江水源空調系統；直接式換熱；間接式換熱；經濟性分析

1 概 述

水源熱泵(如地下水、地表的江、河、湖、海水)作為一種可再生能源利用技術已經在國內外得到廣泛應用。上海地區因其豐富的黃浦江水資源，江水源熱泵技術也已逐步推廣。隨著城市的發展，尤其是黃浦江兩岸大型綜合體建筑群的興起，建筑或建筑群空調系統的規模也日益擴大。江水源作為空調系統的冷熱源，它的應用形式也越來越廣泛而不僅局限于水源熱泵這種單一形式，水源離心式制冷機組、水源制冷制冰雙工況離心機組等應用方式也逐步發展，并與蓄冷技術相結合，充分發揮江水源這一可再生能源的優勢，積極響應了國家合理使用再生能源技術的號召，推動著綠色低碳城市的建設。

江水與空調機組之間的換熱方式是江水源空調系統的設計應用與推廣的關鍵環節之一。本文依托上海國際航運服務中心能源中心項目，對江水換熱方式進行了深入研究，為江水源空調系統中江水換熱方式的選擇提供參考依據，同時也為今后上海地區的江水源應用項目提供實踐經驗。

2 常見的兩種換熱方式

對上海地區江水源熱泵應用項目調研發現，目前主要有兩種江水換熱系統方式即直接式和間接式。所謂直接式(圖 1) 就是江水直接作為冷卻水進入空調機組進行換熱的方式，應用案例有世博演藝中心、世博軸、世博浦西能源中心；間接式 (圖 2) 為江水與空調機組冷卻水通過板式熱交換器進行換熱而不直接進機組的方式，應用案例有上海十六鋪、上海港國際客運中心、上海國際航運服務中心。

圖 1 直接式江水換熱系統示意圖

圖 2 間接式江水換熱系統示意圖

3 兩種換熱方式的對比分析

江水間接式和直接式兩種換熱方式各有利弊。本文從兩種換熱方式對機組運行性能的影響和經濟性兩方面進行深入分析，具體內容如表 1 所示。

表 1 間接式和直接式江水換熱系統對比分析

4 兩種換熱方式的經濟性分析

4.1 能源中心項目設計方案

上海國際航運服務中心項目分西、中、東 3 個地塊，總建筑面積約為 52 萬 m2，共建設有 20 棟商務辦公樓，采用區域供冷供熱的方式，基地內建設一座能源中心。根據空調冷負荷計算，項目所有建筑所需最大空調冷負荷為 42 478 kW，最大空調熱負荷為 19 526 kW。項目考慮 100% 采用江水源作為整個空調系統的冷熱源，夏季并與冰蓄冷相結合，最大負荷的 30% 由蓄冰系統提供，總蓄冰量為 132 905 kWh。根據市場調研，目前同時滿足制冷、制冰及制熱 3 工況的熱泵機組的應用案例相對較少，考慮到本項目的規模較大、影響面較廣，因此采用制冷制冰雙工況機組和熱泵機組完全獨立的保守設計：中央制冷系統擬采用 4 臺 6 329 kW 及 1 臺 3164 kW 雙工況制冷機及3 臺 1 400 kW 可供冷的水源熱泵機組作為基載制冷機組。中央制熱系統擬采用 12 臺 1 758 kW 專門用于供熱的螺桿式的水源熱泵機組。

由于間接式和直接式換熱方式的利弊相當，在主機招投標時采用雙方案(兩個方案提供不同的江水進出水溫)投標形式，同時對板交及小球清洗均進行了初步市場調研，為系統江水源換熱方式的選擇提供決策依據。

兩種換熱方式的系統配置如下：①間接式系統：主機選型時夏季冷凝器側冷卻水進水溫度為 33 ℃，冬季蒸發器側熱源水進水溫度為 3 ℃；為預防極端低溫天氣，熱泵機組熱源水側采用乙二醇溶液，因此冬夏季的江水換熱板交獨立設計，冬夏季各配置 5 臺板交；對應冬夏季板交分別設置冷卻水循環泵組和熱源水循環泵組；②直接式系統：主機選型時夏季冷凝器側冷卻水進水溫度為 32 ℃，冬季蒸發器側熱源水進水溫度為 4 ℃；以應用工程案例相對較多的小球清洗方式進行設計，每臺主機設備分別配置一套小球清洗裝置，共配置 20 套小球清洗裝置。

4.2 兩種江水換熱方式的經濟性比較分析

根據以上兩個不同系統的設備配置，向各知名品牌供應商進行了詢價調研。結合本項目辦公樓宇均為 5A 級辦公寫字樓的市場定位，選用了品質較高的設備品牌：主機選用外資背景國產設備，板換、水泵和小球清洗選用進口設備；整個能源中心總的設備造價約為 14 000 萬元。本項目的兩種江水換熱系統各環節的初投資如表 2 所示。

表 2 兩種江水源換熱方式初投資對比 萬元

根據表 2 可以得出：從主要設備的初投資來看，直接式換熱系統要比間接式節約 978 萬元，占能源中心設備總造價的 7% 左右。

4.3 本項目江水換熱方式的選定

通過以上分析，可以看出直接式江水換熱方式要比間接式造價低，但從系統的運行安全可靠性和拓展應用來看，間接式江水換熱系統擁有獨有的特點：

(1) 對于特殊地理位置設置輔助熱源有困難的項目，要100% 利用江水源作為空調冷熱源，間接式江水換熱方式可在熱泵機組熱源水側采用乙二醇溶液，有效防止了極端低溫下機組結凍的風險，解決了極端低溫下的供熱問題，無需配置輔助加熱系統，同時避免了設置常規的輔助加熱系統而對環境造成的污染破壞。

(2) 間接式江水換熱系統對江水的水質要求更低，直接式存在由江水水質惡化帶來的對主機造成腐蝕等風險，而主機設備的造價在整個系統中占較高比重，一旦主機受到腐蝕，帶來的經濟損失相對較大；間接式系統中的板式換熱器本身選材就是 316 不銹鋼材質，可有效避免咸潮等惡劣水質條件對系統設備的腐蝕。

(3) 直接式系統中的小球清洗系統存在小球在主機中卡殼的風險。這時不僅影響機組使用，而且需要開機疏通、檢修，工作量大且耗時。當然間接式系統中的板式熱交換器也存在江水雜質或泥沙堵塞的風險，但是多臺板交同時堵塞的概率相對較低，即使發生某臺板交堵塞，也可以切斷此臺板交的閥門，并不影響其他板交的正常工作，也不影響主機的使用。板交的堵塞有一個漸變過程，通過對進出口壓差的監測可以提前判斷板交的堵塞狀況，合理選擇部分負荷時段對部分板交進行清洗工作，可確保高峰用能時刻的空調供應。

(4) 對于金融企業較集中的建筑群，間接式江水換熱系統還可實現為末端樓宇內的數據中心提供 24 h 冷卻水，提高數據中心精密空調的運行效率。

考慮到本項目是以租售為主的商務建筑群，必須為客戶保證其全年的空調需求；同時本項目位于黃浦江畔，對景觀的要求相對較高。綜合上述因素，盡管間接式系統的造價較高，但差價的比例在本項目預算可承受范圍內，因此本項目最終選用間接式江水換熱系統。

5 結 語

通過對上海地區江水源空調系統中直接式和間接式兩種江水換熱方式的研究，可以得出：

(1) 直接式江水換熱方式的造價要比間接式低，但兩種換熱方式的初投資差價對于規模較大的集中式供能中心來說，所占的比例并不高，在可接受范圍。

(2) 兩種換熱方式各有利弊，在選擇時應充分考慮到項目所在的地理位置、系統所服務建筑群的性質以及體量、江水水質條件、總體投資預算等因素，使江水源空調系統充分發揮節能、環保且具有較高經濟性的優勢。

無論選用哪一種江水換熱方式，江水側設備的維護保養都是確保江水源空調系統正常、高效運行的重要環節，應當重點關注。

TU50

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1674-814X(2017)03-0037-03

2017-02-11

劉靜君，現供職于上海國際航運服務中心開發有限公司。

作者通信地址：上海市楊浦區楊樹浦路18號，郵編：200082。