常德市卡樂星球歡樂世界地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

郭俊捷

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進，能源緊缺的問題越來越凸顯，利用可再生能源勢必成為解決能耗問題的根本途徑。我國建筑能源消耗約占國家能源消耗的20%～30%，而建筑能耗中空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗大于60%。推廣建筑節(jié)能技術(shù)勢在必行，而可再生能源的利用在建筑節(jié)能中非常重要，地源熱泵技術(shù)便屬于可再生能源利用技術(shù)，它能有效利用地下淺層地?zé)豳Y源，是一種既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。

一、項目概況

常德市卡樂星球歡樂世界配套建筑地點位于常德市柳葉湖旅游度假區(qū)的環(huán)湖人工島上。項目規(guī)劃總用地面積428171m2，建筑占地面積51483m2，總建筑107170m2。 配套建筑面積為73721m2，由入口酒店、入口服務(wù)區(qū)、商業(yè)、卡樂宮、員工宿舍、辦公等單體建筑組成，空調(diào)設(shè)計總冷負(fù)荷為8541kW，總熱負(fù)荷為5715kW，空調(diào)系統(tǒng)能源站擬設(shè)計在地下室。此項目位于柳葉湖湖區(qū)內(nèi)，地表水及地下水資源非常豐富，水體（土壤）溫度相對穩(wěn)定。

二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計原理與優(yōu)勢

地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，地源源泵是利用其中積蓄的低品位能源，通過少量高品位電能的輸入，不斷將地?zé)豳Y源中大量取之不竭但又不易利用的低品位熱能置換出來，使其變成可利用的高品位熱能，實現(xiàn)低位能向高位能轉(zhuǎn)移的一種可再生能源利用技術(shù)。它可以滿足各類建筑夏季供冷、冬季供暖以及生活熱水的需求，是一種節(jié)能環(huán)保、先進實用的新型空調(diào)技術(shù)。

2.采用地源熱泵系統(tǒng)的可行性分析

柳葉湖有廣闊的水面，水質(zhì)保持在2～3類水質(zhì)，水溫冬季最低在4.4度，夏季最高在28度，水溫、水量滿足冬夏季換熱條件，是理想的冷熱源，可以優(yōu)先考慮采用湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但是考慮到冬季極端天氣，地表水溫度可能不能滿足水源熱泵機組制熱需求，需采取應(yīng)對冬季極端天氣的備用方案，本項目擬采用地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為極端天氣備用空調(diào)系統(tǒng)。

本項目進行了地下水水質(zhì)水溫勘探測，地下13.5～23 m含圓礫，淺層地下水富水性高，滿足水量（試驗出水為：100m3/h），地下水溫度的觀測采用普通水銀溫度表。將溫度表裝入專制的金屬殼內(nèi)，放入井中水面下10m，5分鐘后取出讀數(shù)。地下水溫基本在16～18度，滿足水溫條件。水質(zhì)檢測報告分析顯示，水質(zhì)含鐵錳已高達7.0mg/L以上（規(guī)范評價標(biāo)準(zhǔn)＜1.0mg/L），超標(biāo)造成設(shè)備管道運行清洗頻繁效率衰減，當(dāng)直接進入水源熱泵機組時，亞鐵極易氧化成三價鐵沉淀堵塞風(fēng)管，而且不可直接進入水源熱泵機組。因此，本項目地下水源熱泵系統(tǒng)不宜采用地下水作為主要熱源，可作為冬季極端天氣備用系統(tǒng)。

綜合分析本項目采用湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供冷供熱，采用地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為冬季極端天氣備用空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換通過室外管路閥門轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。

本項目取水口的位置選擇，根據(jù)下列基本要求，并通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定：

（1）位于水質(zhì)較好的地帶；

（2）靠近主流和岸線，有足夠的水深，有穩(wěn)定的湖床，有良好的工程地質(zhì)條件；

（3）盡可能不受泥沙、漂浮物等影響；

（4）不妨礙航運、排洪和涉湖建筑工程，并符合湖泊、河道、水庫整治規(guī)劃的要求；

（5）不妨礙現(xiàn)有城鎮(zhèn)供水及其他已有自用水源的正常取水；

（6）優(yōu)先選擇取水揚程低、輸水距離短以及具有可行的施工場所和地質(zhì)、地形條件的位置作為取水口位置；

（7）源水取水口宜靠近冷熱源機房。

設(shè)計夏季負(fù)荷最大湖水溫差為5℃、冬季負(fù)荷湖水溫差為3～4℃；計算取水規(guī)模最大量為1400m3/h，設(shè)4臺流量為400 m3/h、揚程40m的潛污泵作為水源抽水裝置。取退水管管徑為DN500，設(shè)計流速 v=2.49m/s。取水泵房取水采用岸邊式取水方式。岸邊式取水形式由取水頭部、進水管、調(diào)節(jié)池 和取水泵房組成。原水通過設(shè)在水源最低水位之下的進水頭部，經(jīng)過進水管流至水量調(diào)節(jié)池，然后由重力自流或泵房加壓送至能源中心站。

3.空調(diào)機組選型

本項目擬設(shè)置兩個空調(diào)主機房，機房1設(shè)置于酒店地下室，為酒店、商業(yè)及卡樂宮供冷供熱，機房合計供冷量4080 kW，供熱量2874 kW。可設(shè)置額定制冷量為1435kW，制熱量為1562kW的水源熱泵機組3臺。機房2位于員工宿舍地下室，為辦公樓、員工宿舍及入口服務(wù)區(qū)供冷供熱，機房合計供冷量4461 kW，供熱量2841kW。考慮宿舍部分同時使用系數(shù)，可設(shè)置額定制冷量為1435kW，制熱量為1562kW的水源熱泵機組3臺。

三、不同空調(diào)方案經(jīng)濟性比較

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)對比，效率更高更節(jié)能，下面將對地源熱泵系統(tǒng)與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)進行比較。

方案一：采用地源熱泵系統(tǒng)集中供冷供熱，本工程一共采用6臺額定制冷量為1431kW，制熱量為1343kW的YEWS375水/地源熱泵機組。

方案二：采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)，選用8臺額定制冷量為1032kW，制熱量為1025kW的YSP1060螺桿式風(fēng)冷機組。

水/地源熱泵機組與風(fēng)冷熱泵機組價格差異不大，采用地下水地源熱泵系統(tǒng)作為備用，需采用18口熱源井，一供二回，井深60m，出水量或回灌量為100m3/h左右，預(yù)計單井造價在15萬左右，合計造價270萬元。湖水源熱泵系統(tǒng)需設(shè)置取水泵站，泵站配置相應(yīng)潛水泵及閥門管件，造價在150萬元左右。本項目采用地源熱泵系統(tǒng)初投資比風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)多出420萬元。

本項目常年采用湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)僅作為極端天氣備用，故本次估算按湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)計算，空調(diào)系統(tǒng)運行費用采用下式估算：

式中：C-制冷（供熱）運行費用，元；

P-制冷（供熱）額定功率，kW；

n-日運行小時數(shù)，取8小時；

m-制冷（供熱）天數(shù)，夏季取120天，冬季取90天；

D-負(fù)荷率，夏季取65%，冬季取60%；

V-電價-0.7元/kWh。

湖水源熱泵與風(fēng)冷熱泵運行費用比較表

由以上計算結(jié)果可以看出，本項目采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)雖然比采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)初投資多出420萬元，但是年運行費用比風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)少62.8萬元，在6～7年內(nèi)即可回收多出的投資成本。

四、結(jié)語

本項目從初投資、運行費用節(jié)約、環(huán)保節(jié)能、維護及壽命等多方面考量，采用湖水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方案可行，優(yōu)先采用湖水源熱泵系統(tǒng)，為了保證冬季極端天氣空調(diào)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，采用地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)。系統(tǒng)均能夠滿足卡樂星球歡樂世界空調(diào)需求，節(jié)能環(huán)保，全生命周期內(nèi)整體投資+運營成本均低于風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)。