水源热泵系统节能示范项目设计与改造

第３２卷第１期（２　０　１　３年３月　总１２２期）　制　冷　５１　文章编号：ＩＳＳＮ１００５—９１８０（２０１３）０１—００５１—０４　水源热泵系统节能示范项目设计与改造　杨婧文　（南京交通职业技术学院，南京２１１１８８）　［摘要］本文结合新疆某城镇地下水式水源热泵应用于住宅及公共建筑的具体工程实例，介绍了该项目的　主要示范内容，进行了围护结构改造、方案的可行性论证，提出了对于新建建筑具体的供暖／空调设计方　案及对现有建筑供暖／空调系统的节能改造方案，并对该项目进行风险及推广前景分析。　［关键词］地下水式水源热泵；节能示范项目；设计与改造；风险分析　［中图分类号］ＴＱ０５１．５；ＴＵ８３２　［文献标识码］Ｂ　ｄｏｉ：１０．３６９６／Ｊ．ＩＳＳＮ．１００５—９１８０．２０１３．０１．００１　Ｗａｔｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ——ｓａｖｉｎｇ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇｗｅｎ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｃｏｍｍｔｍｉｅａｔｉｏｎｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１　１　１８８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｉｎ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｒｂａｎ　Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ—ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ａｎｄ　ｐｕｂｌｉｃ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ￣ａｎｓｏｆｒｍａｆｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　Ｓ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｓｔｕｄｙ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｎｅｗ　ｂｎｉｌｉｄｎｇｓ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｈｅａｔｉｎｇ／ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｆｏｒ　ｂｏｔｈ　ｂｕｉｌｉｄｎｇ　ｈｅａｔｉｎｇ／ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｒｉｓｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｅｐｃｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ－ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；Ｅｎｅｒｙｇ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｓｔ；Ｄｅｓｉｇｎ　ｎａｄ　Ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ；陌ｓｋ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　水源热泵供暖／供冷系统的一项节能示范项目。本　１　概述　文将对某建筑的地下水源热泵系统进行分析研究，　近年来，财政部、住房城乡建设部组织实施了可　设计并改造了部分系统以便提高其节能效果，并与　再生能源建筑应用示范工程，中央财政将给予一定　其他冷热源进行技术经济性比较，让投资者对地下　数量的示范项目补助资金，有利于发挥地方政府的　水源热泵系统的设计与经济性有更进一步的了解。　积极性和主动性，加强技术标准等配套能力建设，　有利于形成推广可再生能源建筑应用的有效模式。　２工程概况　虽然我国一些城市已建成了地源热泵示范工　程，但由于现在对地源热泵系统的应用研究、分析　本项目为地下水式水源热泵供暖／供冷系统节　还不完善，尤其是对实际工程设计、安装、运行的　能示范项目，位于新疆自治区北部的阿勒泰地区，　研究及其工程实例的经济分析较少，这在很大程度　地下水资源丰富。建筑类型为城镇中心地区住宅建　上制约了地源热泵的推广应用。还有部分建筑早期　筑与公共建筑（包括酒店、商场、学校、办公楼、　已安装了锅炉或传统的风冷机组供暖，虽然节能效　医院等），项目总建筑面积９３．４０万ｍ２。项目建设　果不佳，但找不到经济又合理的改造方案。鉴于以　分一期工程和二期工程，一、二期工程均为可再生　上情况，本项目中的建筑就是采用了浅层地下水式　能源利用一地下水式水源热泵技术利用示范工程。　收稿日期：２０１２—１１—１６　作者简介：杨婧文（１９８０—７），女，硕士，讲师，研究方向：地源热泵技术的工程应用。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｗｅｎ．７５＠１６３．ＣＯＢ　Ｎｏ．１，２０１３，Ｍａｒ．　Ｖｏ１．３２（Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．１２２）　降温，能效比较低。本项目按照现有供热状况，将　３主要示范内容　可再生能源利用节能示范。利用当地丰富的地　所有建筑划分为１７个区，重新进行热源配置和供　暖／供冷，并进行分户计量。对于本项目的所有宾　馆，１５区（兴居名筑机房供暖／供冷所覆盖的区　域）中的新建住宅，１７区（行政中心机房供暖／供　冷所覆盖的区域）中的办公楼，考虑夏季采用风机　盘管末端进行供冷＿１ｊ。　下水资源条件和有利的地质构造特点，进行布尔津　县城镇地区地下水式水源热泵供暖／供冷系统节能　示范。冬季利用浅层地下水作为热源直接进入热泵　系统的蒸发器放热从而完成高效的空调供暖；夏季　利用浅层地下水作为冷源直接进入热泵系统的冷凝　器吸热从而完成高效的空调供冷。　用户需求侧节能示范。新建／既有建筑物本身　的节能设计／改造与示范，包括墙体节能设计／改造　与示范、屋面节能设计／改造与示范、门窗节能设计／　改造与示范等；供暖／供冷需求的分户计量设计／改　造与示范；采暖某端方式节能设计／改造与示范等。　节能示范方案的供暖／供冷年总节约标煤量　１０７００．００吨，其中，一期节标煤量４９４７．８８吨，二　期节标煤量５７５２．１２吨。　４技术方案　４．１围护结构改造　本项目建筑类型为居住建筑和公共建筑，均为　多层砖混建筑。总建筑面积９３．４０３万ｍ２，其中既　有建筑的建筑面积７３．６０万ｍ２，新建建筑的建筑面　积１９．８０万ｍ２。２００６年前的建筑外墙未做保温，建　筑面积５５．８０３万ｍ２；２００６年后的建筑外墙已做保　温，建筑面积３７．６万ｍ２。　本工程围护结构体系设计，严格按照《民用建　筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）（ＪＧＪ２６—　９５）、《公共建筑节能设计标准》（５０１８９—２００５）执　行。屋顶均加贴２×５０厚苯板保温层。外墙已做保　温（已外贴１００厚苯板）的建筑，经热工计算可达　到节能５０％标准；对于外墙未做保温的建筑，选取　适合的外围护保温形式（外墙加贴８０厚苯板，外　窗由钢窗换为ＰＶＣ塑钢窗）进行节能改造，使其　满足指标限值：建筑物耗热量指标ｑＨ＜２１．８　Ｗ／　ｍ２，采暖耗煤量指标ｑｃ＜１８．２　ｋｇ／ｍ２。　４．２示范技术设计方案　本项目１００％的建筑需冬季供暖、有２４．６８％建　筑需夏季空调供冷。既有建筑目前采用分散式多容　量多锅炉采暖和分散式低能效比的分体空调机空调　本项目坐落的地区是全国旅游强县和国家级旅　游县，该县城镇用能发展应与友好环境发展相协　调。因此，利用可再生能源，对项目的供暖／供冷　方式进行改造，具有十分重要的示范意义。　１）冷热源方案的论证：　热泵技术是应用低品位再生能源的重要技术。　本工程区域内地下水类型主要为松散岩类孔隙潜　水，含水层以卵砾石为主，其富水性程度丰富，渗　透性良好，开采回灌便利。　２００７年，在布尔津县城镇地区体育馆进行了地　下水源热泵系统试点工程。馆内冬季采暖方式为地　辐射采暖，热源采用地下水式水源热泵机组１台，　机组标准制热量３５２ｋＷ、输入功率８０．７ｋＷ，制冷　剂为Ｒ１３４ａ，机组ＣＯＰ＝４．３６。２００７年１１月至２００８　年４月进行了供热间歇式试验运行，机组制热运行　满足馆内采暖要求。２００８年６～８月，在城镇地区　旅游宾馆１＃热力站进行了水源系统勘察井试点工　程，并完成了取水与回灌试验运行。由上述试点工　程和水井实验可知，该地区具有较良好的水源和回　灌性能。　结合本工程水源热泵系统水源水量的要求，经　计算得，对应于冬夏两季最大释热量、吸热量所需　的地下水量为６３８６ｔ／ｈ，单井小时持续涌水量约为　８０ｍ３／ｈ，共８３口抽水井，水温为１２￣Ｃ。所以地下　水的持续出水量满足水源热泵系统最大吸热量或释　热量的要求。　综上所述，该地区地下水资源充足、水温适　当、供水稳定、回灌可靠，本项目建设的确适宜采　用地下水源热泵技术对该居住小区进行供暖／供冷。　２）既有建筑供暖／供冷系统的节能改造设计方　案［　］：　①对于既有建筑供暖／供冷的节能改造设计方　案，其基本原则是，尽可能充分利用原有室外供热　管网和室内供暖散热器末端。为此，提出系统改造　第３２卷第１期（总１２２期）　２　０　１　３年３月　制　冷　设计方案如下：ａ）冷热源采用地下水式水源热泵　ｄ）散热器安装方式：水平并联管的散热器安装；　机组（制冷剂为Ｒ１３４ａ高温型机组）；ｂ）用户侧室　ｅ）保温改造前的建筑面积热负荷指标为７０Ｗ／ｍ２，　外管网原则上采用原有管网并进行必要的改造；ｃ）　末端散热设备，住宅／办公用地辐射采暖盘管或散　改造后的热负荷指标为４５Ｗ／ｍ２。　四柱７６０型铸铁散热器单片散热量，经计算，　热器、宾馆用风机盘管，其中末端为散热器的需要　改造前单片散热量为１３３．３Ｗ，改造后单片散热量　核算改造；ｄ）运行参数：冬季供暖室外管网的供　为６４．１Ｗ。改造前单位建筑面积所需的散热器为　水温度ｔ　＝６０℃，末端为散热器的供回水温差取　０．５２５片，改造后单位建筑面积所需的散热器为　Ａｔ＝１０￣Ｃ，地辐射采暖盘管的供回水温差取Ａｔ＝　１０ｃｌＣ，风机盘管供回水温差取Ａｔ＝１０℃；夏季空调　室外管网的供水温度为ｔ　＝７℃，宾馆用风机盘管　供回水温度为７／１２￣Ｃ，供回水温差取Ａｔ＝５℃。　②对于新建建筑的供暖／空调设计方案：ａ）　冷热源采用地下水式水源热泵机组（制冷剂Ｒ２２）；　ｂ）室内末端住宅采用地辐射采暖盘管、办公楼用　风机盘管；ｃ）运行参数：冬季住宅用地辐射采暖　供水温度５０￣Ｃ，供回水温差Ａｔ＝１０￣Ｃ，办公用风　机盘管供水温度５０￣Ｃ，供回水温差Ａｔ＝１０￣Ｃ；夏　季办公用风机盘管供水温度７ｃｌＣ，供回水温差△ｔ＝　５￣Ｃ。还应指出的是，对于既有建筑供暖节能改造　设计，需要进行室外供暖管网及室内供暖散热器两　方面的校核性计算。　③既有建筑室外供暖管网的校核性计算。计　算条件：ａ）建筑采用围护结构保温改造后的节能　建筑，达当地５０％的节能标准；ｂ）供暖运行参数：　供水温度６０℃，供回水温差Ａｔ＝１０￣Ｃ。以主要承　担公共建筑供暖的原一号锅炉房（１１号机房）和　承担民用住宅供暖的原二号锅炉房（１２号机房）　为例，进行室外管网校核计算。　通过对最不利环路的水力计算，可以明显看　出，在新的负荷条件下，原一、二号锅炉房室外管　网所需的管径大部分小于原有室外管网，只有少量　管径和原管径相同。　结论：现有室外供热管网能够满足节能改造后　对室外供热管网的需求，但为保证各支路问的水力　平衡需加装平衡阀。　④既有建筑室内供暖散热器的校核性计算。　计算条件：ａ）建筑采用围护结构保温改造后的节　能建筑，达当地５０％的节能标准；ｂ）供暖运行参　数：系统改造前，供水温度９５℃，供回水温差Ａｔ　＝２５℃；系统改造后，供水温度６０℃，供回水温差　Ａｔ：１０￣Ｃ；ｃ）散热器采用四柱７６０型铸铁散热器；　０．７片。　结论：运行参数变化后，为保证采暖室内设计　温度，每１０片需加装３片。　３）检测预留方案：　布尔津县集中供热系统共设ｌ７个供热站，为了　降低能耗、提高管理的自动化水平、保障系统工作的　可靠性、并能有效实时的进行远程监控，设计了一套　集散型监控管理系统（ＤＥＳ），用于对１７个热力站的　监控管理。可进行电力输入消耗功率、主机系统输　出制热（冷）量、主机系统运行参数和系统运行状况　的检测，并通过上述检测接口计算系统ＣＯＰ值。　每个热力站配备一套基于西门子ｓ７系列ＰＬＣ　的控制系统，完成现场数据采集、控制管理、数据　上传；监控中心采用全图形化操作的西门子ＷｉｎＣＣ　大型监控管理系统，实现集中管理；借助于运营商　的公网，利用ＡＤＳＬ技术完成监控中心和热力站的　通讯。　通过上述各方案论证，本工程最终采用资源节　约、环境友好的可再生能源利用技术一地下水式水　源热泵技术，为该县城镇地区９３．４０３万ｍ２建筑进　行冬季供暖和２３．０６万ｍ２建筑进行夏季供冷，替　代原有分散式多容量多锅炉采暖和分散式低能效比　的分体空调机空调降温。　４．３主要设备及性能参数　本项目系统设备主要包括三大部分：用户系统　设备、水源热泵主机系统设备、水源系统设备。用户　系统设备中的采暖系统采用散热器采暖系统及地辐　射采暖系统，空调系统采用双管制风机盘管闭式系　统，空调水每户人户安装计量表，实行分户计量＿３　Ｊ。　冬季采暖时，由水源热泵机组制取５０～６０￣Ｃ／　４０～５０℃的热水，作为用户采暖的热媒。夏季供冷　时，由水源热泵机组制取７／１２￣Ｃ的冷冻水，作为用　户空调的冷媒。　水源系统设备由水源取水装置、取水泵、水处　Ｎｏ．１，２０１３，Ｍａｒ．　Ｖｏ１．３２（Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．１２２）　理设备、输水管网和阀门配件等组成。本项目水源　游，冬夏吸放热能够及时被河水带走，不会造成地　井总数为２３７口，其中抽水井８３口，回灌井１５４　下水体温度下降。因此，地下水体中的吸热量与排　口。所有井井身结构设计相同，井深１Ｏ　ｌ５米左　热量基本上可以维持平衡，不会导致地下水温的逐　右，井径１．５ｍ，抽水管径１２５ｒａｍ，回灌管径　年降低，可以满足本示范工程热泵机组长期稳定运　１００ｒａｍ。根据场地条件，抽水井问距５０ｍ，回灌井　行。　间距２５ｍ，井位距建筑物距离大于５ｍ。设计单井　５．３示范项目推广前景分析　出水量为８０ｍ３／ｈ，设计单井回灌量为４４ｍ３／ｈＥ　。　４．４系统能效计算分析　由于负荷的变化，机组运行参数随之变化，系　统能效比不同，因此采用加权平均的方法计算系统　能效比。经计算得：虽然个别区水源热泵机组冬季　系统能效比略低于申报项目规定的限值３．５，但是　各个区热泵系统制热时的平均性能系数（ＣＯＰ）为　３．６１，热泵系统制冷时的平均性能系数（ＥＥＲ）为　４．２８，均不低于３．５，满足申请项目要求。　５效益及风险分析　５．１投资效益分析　地下水源热泵系统项目总投资１５３６１．８９万元，　可再生能源应用投资增量成本６１９０．０８万元，单位　面积投资增量成本为６６．３元／ｍ２。水源热泵的供热　供冷能耗计算依据前面所选设备实际耗功率数据进　行。煤价以全国平均价格进行计算，取８００元／ｔｃｅ。　地下水式水源热泵系统比常规能源方案年节约标准　煤１０７００ｔ，节省运行耗能费用为８５６万元／年。节能　方案比常规能源方案年节省运行管理费用８１．５５万　元，节省总运行费用９３７．５５万元／年。　按照投资增量回收年限的静态计算法：可再生　能源投资增量回收年限＝投资增量／运行费用节省　＝６１９０．０８／９７３．５５＝６．６年，因此，投资增量成本不　到７年的时间就能够回收回来［５ｌ。　５．２运行风险分析　由于本工程的现状及所处的地理位置，冬夏季　的负荷不匹配，因此水源热泵的吸热量与放热量不　平衡。经热平衡计算，冬季制热工况下系统从地下　水体中的吸热量大于夏季制冷工况下系统向地下水　体中的排热量，不平衡率为７５．９％。本项目所在区　域的第四系松散岩类为粗颗粒地层，渗透性较好，　在开采过程中，布尔津河和额尔齐斯河能及时补充　地下水。并且本项目取回水位处于两条河流的上　新疆等严寒地区热力供应普遍技术落后，管理　粗放，资源消耗大，造成经营成本不断上涨，热力　公司普遍经营亏损。如何通过新技术的应用，通过　精细化管理，降低资源消耗，降低运行成本，实现　热力供应的盈利运行，实现热力公司的自我良性发　展，是本项目的核心战略目标。　本项目建成后，依据其低廉的运营成本、显著　的节能效益、完善的环境保护效益、良好的社会效　益等优势将在整个新疆地区形成巨大的示范效应。　冬季采暖季使用地下水式水源热泵中央空调的费用　为２０．３２元／ｍ２，低于原有分散锅炉运行费用（２２．５　元／ｍ２），能为普通消费者所接受，市场前景广阔。　６结束语　本示范项目属可再生能源利用技术，高效节　能、运行费用低，一机多用、初投资费用增加相对　较低，环境效益显著。积极采用地下水式水源热泵　等可再生能源利用技术对建筑的供热／冷系统进行　设计和改造，是提高系统能效，最大限度减少常规　能源消耗的手段之一，该项技术将会为国家建设节　约性住宅起到一定的参考价值及推广应用作用。　７参考文献　［１］赵军，戴传山．地源热泵技术与建筑节能应用［Ｍ］．　北京：中国建筑工业出版社，２００７：１１—１２，７４—７５　［２］马最良，吕悦．地源热泵系统设计与应用［…．北　京：机械工业出版社，２００７：１３６—１３８　［３］陈超．地表水源热泵在吉林市应用的实验研究［Ｄ］．　哈尔滨工业大学，２０１０　［４］美国ＡＳＨＲＡＥ学会著，徐伟等译．地源热泵工程技术　指南（第１版）［…．北京：中国建筑工业出版社，　２００１：１４—１５　［５］　向宏．水源热泵中央空调系统设计及经济性分析［Ｊ］．　建筑节能，２０１１（１１）：８—１１