219严寒地区大型商业建筑地下水源热泵空调系统的方案优选

严寒地区大型商业建筑地下水源热泵空调系统的方案优选大连市建筑设计研究院有限公司王巍沈阳建筑大学市政与环境工程学院林豹摘要针对不同学者在严寒地区大型商业建筑地下水源热泵空调系统的选择上存在的分歧，选取沈阳市的一家大型商场作为研究对象，设计了非水环双风机系统、水环单风机系统和水环双风机系统三种形式的地下水源热泵空调系统，继而对其能耗、经济性和地下水用量进行了计算和分析。结果表明：非水环双风机系统的能耗、经济性和地下水用量较水环单风机系统和水环双风机系统都具有优势，可认为是严寒地区大型商业建筑地下水源热泵空调系统的理想方案之一。关键词地下水源热泵空调系统双风机系统水环热泵系统能耗经济性1引言地下水源热泵系统是一种相对简单的地源热泵系统，投资少、开采易、运行管理方便，所以往往成为地源热泵系统的首选。但是在对于严寒地区大型商业建筑地下水源热泵空调系统的形式，学术界仍存在异议。众所周知，大型商业建筑的内区面积较大，且存在着全年性冷负荷。因此，一些学者认为水环热泵系统在大型商业建筑的应用上具有一定优势；但另一些学者认为双风机系统在过渡季节和冬季利用室外的新风来消除内区的余热，可大幅降低运行能耗。至于采用何种形式的地下水源热泵系统，既在技术上可行，能耗上节约，经济上又合理，业界尚没有达成一致，也鲜有工程实例能够较全面地对比不同地下水源热泵空调系统形式的优劣。本文以期通过实际的工程设计以及能耗和经济性分析得到一个定量的比较结果，为严寒地区此类建筑地下水源热泵空调系统的方案选择提供一些参考依据。2研究对象的选择我国的建筑气候区一级区划分为7个，严寒地区属于第Ⅰ建筑气候区[1]。大型商业建筑（Large-scaleCommercialBuilding）是指用于商业经营活动的任一楼层建筑面积≥5000m2或总建筑面积≥15000m2的建筑[2]。由于本文的研究对象为严寒地区的大型商业建筑，故选取沈阳市的一家大型商场做为研究对象。其地理位置属于建筑气候区的ⅠD区，单层建筑面积14000m2，皆符合要求。所选商场共3层，首层为家具卖场，二、三层为家乐市场，总建筑面积44000m2。由于所选商场的内区面积较大，按《采暖通风与空气调节设计规范》要求，在无特殊困难时，有内区建筑物空调系统必须按内外区分开设置。本文把距外墙6m以内的区域划为内区，其余区域为外区。夏季空调设计冷负荷为5800kW；冬季外区空调设计热负荷为1200kW，内区仍存在冷负荷。该建筑的空调系统一班制运行，运行时间8:00~18:00，共10h。3地下水源热泵空调系统的设计进行不同地下水源热泵空调系统的设计，分别是非水环双风机系统、水环单风机系统和水环双风机系统（单风机和双风机指的是空调系统末端的形式，水环指的是热泵机组的连接方式，为容易区分，故此命名）。3.1非水环双风机系统的设计系统的冷热源由3台水源热泵机组来提供，夏季3台机组并联运行，冬季运行一台就可满足外区的供热需求。地下水不直接进入热泵机组，经过板式换热器换热后回灌到地下。设置4口抽水井，8口回灌井，井深50m，每口抽水井设置一台深井泵。风系统的设计分内外区进行，内区采用双风机全空气系统，外区采用单风机全空气系统。气流组织采用散流器下送，空调机房集中回风的形式。水系统采用两管制、同程式系统，通过设置在供回水管上的压差旁通阀来对流量调节。系统的主要设备如表2所示。表1非水环双风机系统的主要设备及参数名称型号性能参数数量备注水源热泵机组MWH480CA制热量：1800kW，制冷量：1686kW1—MWH570CA制热量：2208kW，制冷量：2004kW2—循环水泵FLG250-315流量：550m3/h，功率：75kW32用1备，末端侧FLG250-315流量：550m3/h，功率：75kW21用1备，地下水侧深井泵SP125-2流量：100m3/h，功率：22.5kW4—双风机空气处理机组ZKW30额定风量：30000m3/h，功率11kW8外区用ZKW40额定风量：40000m3/h，功率15kW3外区用ZKW60额定风量：60000m3/h，功率23kW7内区用ZKW80额定风量：80000m3/h，功率30kW5内区用表2水环单风机系统的主要设备及参数名称型号性能参数数量备注水源热泵机组MWH390CA制热量：1425kW，制冷量：1371kW2负责外区和一层内区MWH480CA制热量：1800kW，制冷量：1686kW2负责二、三层内区末端循环泵FLG200-315A流量：243m3/h，功率：22kW32用1备FLG250-315A流量：300m3/h，功率：55kW32用1备环路循环泵FLG250-315流量：550m3/h，功率：75kW41用1备单风机空气处理机组ZKW30额定风量：30000m3/h，功率11kW8外区用ZKW40额定风量：40000m3/h，功率15kW3外区用ZKW60额定风量：60000m3/h，功率23kW7内区用ZKW80额定风量：80000m3/h，功率30kW5内区用3.2水环单风机系统和水环双风机系统的设计采用小型水-空气热泵机组的常规水环热泵系统，在商业建筑中基本采用吊装形式。由于受到吊顶空间和噪声的限制，热泵机组的容量不可能做得很大。这样选用许多小型水-空气水源热泵机组，显然会使得投资较高，水系统的布置也更加复杂，同时给系统维护带来很大的工作量。目前水-空气热泵机组的容量一般不超过20kW，而本文所选建筑的冷负荷为5800kW，则至少需要290台水-空气热泵机组。这么多的数量，无论从投资，还是系统的布置和维修，对于具有大面积开启区域的大型商业建筑都是不合适的。图1水环热泵系统的示意图机组机组机组水环路板换机组空气处理机组回灌井抽水井由于水-空气热泵机组的容量限制，故考虑使用大型的水-水热泵机组来满足大型商业建筑的需求，所有的机组集中布置在制冷机房内，每台机组都有独立的循环水泵把冷（热）水输送到所负责区域的空气处理机组里。这样，和传统意义上的以水-空气热泵机组为主体的水环热泵系统有区别，但是在本质上可实现把内区的热量转移到外区，故仍可作为水环热泵系统来对待。这种形式的水环热泵系统很好地解决了机组容量问题，但是每个热泵机组都必须设置一套水系统，给水系统布置带来一定不便。系统的形式如图1所示。由于这种系统的末端是空气处理机组，所以可采用单风机空气处理机组或双风机空气处理机组。如果系统末端采用单风机空气处理机组，内区在过渡季节和冬季皆由热泵机组来供冷，这种形式的水环热泵系统称为水环单风机系统；如果系统末端采用双风机空气处理机组，在过渡季节可利用新风来消除内区余热，冬季内区仍然由热泵机组来供冷，这种形式的水环热泵系统称为水环双风机系统。水环单风机系统采用4台水源热泵机组，其中3台分别负责每一层的内区，1台负责整个商场的外区。地下水侧的设计与非水环双风机系统一致。风系统的设计分内外区进行，内外区皆采用单风机全空气系统。气流组织采用散流器下送，空调机房集中回风的形式。每台热泵机组对应一套水系统，采用两管制、同程式系统，通过压差旁通阀来对流量进行调节。系统的主要设备如表2所示。水环双风机系统与水环单风机系统不同的只是末端的空气处理机组采用的是双风机空气处理机组，其余部分皆与前者相同。双风机空气处理机组的选择与非水环双风机系统相同。4年运行能耗图2各系统全年逐BIN值的能耗地下水源热泵空调系统的主要耗能设备有热泵机组、水泵和风机。使用BIN法（所谓BIN法，就是假设围护结构负荷可变换成室外气温的线性关系，依此线性关系计算出不同温度下的负荷并乘以该温度段出现的小时数，便得出该温度下的冷、热耗量）算得非水环双风机系统和水环单风机系统的全年逐BIN值的能耗（如图2），其中热泵机组的能耗计算考虑了部分负荷运行对机组效率的影响。分析图2可得如下结论：（1）当BIN在32~22之间时，也就是在供冷季，两系统能耗水平基本持平，水环单风机系统的能耗略高一些。这是因为水环双风机热泵系统所选机组为水-水式螺杆冷水机组，而非普通水环热泵系统0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0032302826242220181614121086420-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20-22BIN能耗（108kJ）非水环双风机系统水环单风机系统选用的小型水-空气热泵机组，与非水环双风机系统的机组制冷性能系数相差不大，都在4.97~5.32之间，所以会出现能耗相近的结果。若是对于选用小型水-空气热泵机组的水环热泵系统，其机组的制冷能效比通常在2.76~4.16之间，即使是有的厂家生产的高效热泵机组的能效比达到3.66~4.16之间，和冷水机组的能效比还有不小的差距。（2）当BIN在20~8之间时，也就是在过渡季节，水环单风机系统的能耗平均是非水环双风机系统的3倍多。这是因为，在过渡季节非水环双风机系统全新风运行，机组、循环泵及深井泵都停运；而水环单风机系统必须靠机组制冷来消除内区余热，其相应的水泵也都在运行，故两者的能耗相差较大。（3）当BIN在6~-22之间时，也就是在冬季，水环单风机系统的能耗曲线逐渐向非水环双风机系统的靠拢。这是因为，随着室外气温的降低，水环单风机系统的内区冷负荷逐渐减少（新风承担的一部分冷负荷逐渐增大），虽然外区的热负荷逐渐增加，但是由于内区的冷负荷仍占主导地位，故系统的总能耗是呈下降趋势的；而此时非水环双风机系统的内区余热仍由新风解决，外区热负荷随气温降低呈上升趋势。因此，两系统的能耗水平逐渐接近。（4）非水环双风机系统的全年运行能耗为2994960kWh，水环单风机系统的全年运行能耗为4510936kWh，可见非水环双风机系统比水环单风机系统全年节能33.6%。另外，计算得到水环双风机系统的全年运行能耗为3717917kWh。可见，水环双风机系统由于在过渡季节采用新风来解决内区的冷负荷，所以能耗比水环单风机系统要低，但是因为冬季仍然靠机组来供冷，所以能耗仍比非水环双风机系统高19.5%。5经济性评价采用费用年值法对地下水源热泵空调系统的经济性进行评价。费用年值法主要是把投资值等价折算为年值后再与年运行费用相加，取和小者为最经济的方案。费用年值法的计算公式如式（1）所示：（1）式中：AC为费用年值，元；Ci为初投资，元；Ck为年运行费用，元；n为使用年限，年；i为回收系数，取10%。5.1年运行费用年运行费用主要包括电费、水费、设备的折旧费、人员工资以及其它费用（排污费、管理费、税金等）。各项费用的取价如下：①电价取沈阳地区商业用电的价格：0.8元/kWh；②水费主要是指系统的补水用的自来水费（沈阳地区目前地下水不收费），补水率取2%~3%，以循环水量的2%为补水量，水价取4.6元/m3；③设备折旧费采用直线折旧法（热泵机组的使用年限取为15年）；④人工费主要是工人工资和福利，取值为70元/日；⑤其它费用取固定资产的2.5%[3]。根据以上取价可算得各系统的年运行费用，结果见图3。分析图3可得：非水环双风机系统的初投资为321.70万元；水环单风机系统的初投资为479.25万元；水环双风机系统的初投资为415.43万元。可见，非水环双风机系统的初投资比水环单风机系统节约32.9%，比水环双风机系统节约22.6%。Cik1=11nniiACCi图3各系统的年运行费用比较0100200300400500600非水环双风机系统水环单风机系统水环双风机系统年运行费用（万元）5.2初投资空调系统的初投资是指系统各部分的投资总和，主要包括建筑工程安装费用、设备的购置费用以及其它费用。对于地下水源热泵空调系统，其初投资还包括成井的费用。可以用式（2）来计算空调系统的初投资。Ci＝Ci1＋Ci2＋Ci3＋Ci4＋Ci5（2）式中：Ci为空调系统的初投资总和；Ci1为建筑安装工程费，由直接费和综合费组成，预算采用辽宁省建设工程安装预算定额[4]；Ci2为设备购置费，它主要包括设备原价、设备运杂费；Ci3为成井费，以沈阳地