开式地表水地源热泵系统的实用分析

1、开式地表水地源热泵系统的实用分析中南建筑设计院张银安 李斌摘要：根据丹江口水库区域的气候特点及水文状况，分析在该区域应用开式 地表水源热泵系统的可行性及应注意的问题。并以武当山体育馆地表水地源热泵 系统为例，对该系统在丹江口水库区域的实际应用进行了评价。关键词：地表水源热泵水温水质浮船取水随着我国可再生能源利用法及公共建筑节能设计标准的实施，创新、节能、 环保已成为空调设计技术发展研究的主题，而利用可再生能源及提高能源利用效 率是降低建筑能耗的的根本途经。丹江口水库作为我国南水北调中线工程的水源 工程，在大坝加高后其蓄水量及热容量大，尤其是水质优良、在水体较深区域， 夏季水温低，冬季水温变化小

2、；水库低品位蓄能丰富，具有很大的开采潜力，非 常适合采用地表水地源热泵空调系统。一、丹江口水库区域的气候特征：1.1丹江口水库库区的地貌特点库区的地貌主要特点是高差大、坡度陡、切割深，最高海拔1798.9m，相对 高差 1711.9m。总的地形是西高东低，汉江沿线形成峡谷和盆地相间的地貌。1.2丹江口水库地区的气候条件丹江口水库库区位于我国南北气候过渡地带的秦巴山区，属北亚热带季风气 候，具有四季分明、光能充足、热能丰富、降雨集中、立体气候等特点。年平均 总日照为2046h，年平均气温15.9C，最低月平均气温2.4C（1月），最高月平均 28C （7月），全年无霜期为248254天。库区年均

3、降雨量850950mm，年内最大降 雨量1360mm （1964年），年内最小降雨量504mm （1978年），坝址附近多年平均风 速2.0m/s，最大风速20m/s （ENE）。夏季空调室外计算温度35C，冬季空调室外 计算温度-2.9C。二、丹江口水库的水资源状况分析：2.1丹江口水库库容及水位丹江口水库入库支流较多，有丹江、堵河、神定河等，年平均入库水量395 亿M3,入库径流以汛期为主，510月水量占年总水量79%以上。库区内泥沙以悬 移质为主，全流域面积15.9万Km2，坝址以上9.52万Km2。其特征值如下：设计 洪水位172.2M，校核洪水位174.5M，正常蓄水位170M，防洪

4、高水位171.7M，汛期 蓄水位160/163.5M （夏季/冬季），死水位/极限消落水位150/145M，正常蓄水位 以下库容290.5亿M3，死库容126.9100亿M3，坝顶高程176.6M。2.2丹江口水库大坝加高后坝前水温预测：武汉大学水资源与水电工程国家科学重点实验室基于其19701978年水库水 温实测资料，采用水库水温统计数学模型对水库大坝加高后水库水温进行了预测 （文献1），其结果详见下表1。大坝加高后坝前各月平均水温分布表（C）表1水深M月份12345678910111208.47.59.714.219.825.228.829.627.523.017.312.058.97.

5、69.012.717.722.726.327.526.122.417.412.5109.37.88.611.615.920.424.025.524.721.717.412.8159.77.98.210.614.318.421.823.623.320.917.213.12010.08.08.09.712.916.619.921.821.820.116.913.22510.28.27.89.111.715.018.120.020.419.116.513.23010.38.37.68.510.713.616.418.419.118.216.013.13510.38.37.58.09.812.714.

6、916.917.817.215.512.94010.38.47.47.79.111.213.615.516.516.314.912.74510.28.47.37.38.410.312.414.315.315.314.212.45010.18.47.37.17.99.411.313.114.214.413.612.0559.98.37.26.87.48.710.412.013.113.412.911.6609.78.27.16.67.08.09.511.012.112.612.211.22.3水库库区水质现状与评价：长江流域水环境监测中心于1995年开始对库区台子山、浪河口等区域断面进 行监督性

7、水质监测，2004年6月对水库库区水质进行了全面调查监测。根据2004 年实测资料，长江流域水环境监测中心采用地面水质标准(GB3838-2002)对丹 江口水库库区进行分年、分断面和分水期的水质评价，评价结果分析如下：库区、 台子山、陶岔、浪河口水质：综合评价均为II类，水质优良。三、开式地表水地源热泵空调系统对水源系统的要求：其主要要求是：取水量充足、水温适度、水质适宜、供水量稳定。具体来讲， 水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷负荷的需要，水质对机组设备不产生腐 蚀损坏。3.1水温水源系统水温首先要适合地表水地源热泵空调机组的运行工况。根据美国制 冷学会ARI320标准，开式地表水地源热

8、泵空调机组对水温的要求范围是538C。 制热工况时，随着进入蒸发器水温的升高其能效比也随之提高；制冷工况时，随 着进入冷凝器的水温降低其能效比也随之提高。但一般地源热泵机组使用工况要 求为：夏季最低启动温度约为18C，冬季最高启动温度约为22C。3.2水质目前在实际工程中，对于应用于开式地表水地源热泵空调系统的水源系统的 水质无具体规定，可借鉴生活杂用水水质标准(GB25.11989)的要求。3.2.1含砂量与浑浊度：含砂量应小于1/20万，仅作空调用的冷却水浑浊度 为50150毫克/升，空调系统中装有板式换热器，则要求水源水中固体颗粒物 的粒径应0.5毫米。3.2.2水的化学成分及其化学性质

9、：地表水中溶有不同离子、分子、化合物 和气体。水中分布最广的离子有七种，即CL-、SO2-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+与 Mg2+，主要气体成分有O2、CO2、和H2S等几种。这些化学成份这些化学成分所 产生的主要化学性质有酸碱度、硬度、总矿化度和腐蚀性等，对机组材质有一定 影响。3.2.3酸碱度：水的PH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。用于地表水地源 热泵空调系统的水源水酸碱度(pH值)为7 9.2。3.2.4硬度：水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。地表水地 源热泵空调系统的水源水硬度要求，水中CaO含量应V 200毫克/升。3.2.5矿化度：单位容积水中所含各种

10、离子、分子、化合物的总量称为总矿 化度，用于地表水地源热泵空调系统的水源水矿化度V3克/升。3.2.6腐蚀性：水中CL-、游离CO2都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属 管边的腐蚀破坏作用。用于地表水地源热泵空调系统的水源中，要求 CL- V 100mg/L、SO4-2-V200mg/L、Fe2+V1mg/L、Mg2+V0.5mg/L。3.3水质处理通常采用的技术措施如果水源的水质不适宜地表水地源热泵空调机组使用时，可以采取相应的技 术措施进行水质处理，使其符合机组要求。在地表水地源热泵空调系统中经常采 用的水处理技术有以下几种：3.3.1除砂器与沉淀池当水源水中含砂量较高时，可在水系统中加装

11、旋流除砂器，降低水中含砂量， 避免机组和管网遭受磨损。国产旋流除砂器占地面积较小，有不同规格，可按标 准处理流量选配型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。沉 淀池费用比除砂器低，但占地面积大。3.3.2冷水过滤器有些水源，特别是地表水浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含 水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源，可以安装净 水器进行过滤。3.3.3电子水处理仪在水源中央空调系统运行过程中，冷凝器中的循环水温度较高，特别是在冬 季制热工况下。水温常常在50C以上，水中的钙、镁离子容易析出结垢，影响换 热效果。通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪，防止

12、管路结垢。同时， 还可利用电子水处理仪处理藻类或细菌。四、应用开式地表水地源热泵空调系统的可行性分析：4.1丹江口水库的水量及水质从丹江口水库的水资源条件及多年水质监测报告分析：其水库库容量大、水 量充足、除洪水期间支流入水库处水体产生浑浊外，水质优良，可以满足地表水 地源热泵空调系统对水源系统水量及水质的要求。但是由于该水库作为我国南水 北调中线工程的水源工程，空调系统采用地源热泵不能对库区水质造成污染，因 此必须采取切实可靠的措施确保该方案的实施，如采取换热器隔断空调水系统和 开式地表水系统等。4.2丹江口水库的水温从丹江口水库水温实测结果（19631973年）及水库大坝加高后坝前水温预

13、测报告可以看出：冬季随着水深增加，其温度先增加后减小，大约在水深30M时， 其水温综合平均值最高（12月2月），但水深在2030M范围时，其水温综合平 均值相差很小；夏季（6月9月）随着水深增加，其温度逐渐减小。因此综合冬 夏季水温状况，地表水取水系统的取水深度在2030M之间较为合适，可以满足 地源热泵机组的使用工况要求（除在2530M深，6月份水温为15.013.6C不 合适外）。由于水库夏季水温随着水深增加，其温度逐渐降低，水温变化范围为29.6 11.0C （八月份），特别是水深在2030M范围时，水温变化范围为13.621.8C， 因此空调系统夏季部分时段可以采用水库水体直接供冷，如

14、果取水深度在50M以 下时，夏季制冷机组运行时间则更短，但取水深度受限于建筑物相对于水库的位置及取水系统的投资等方面制约。4.3开式地表水源热泵空调系统节能特性分析：以下为开式地表水地源热泵与风冷热泵的节能特性进行对比分析：图23为 上海某公司700Kw螺杆式水源热泵机组在夏季和冬季不同水温下的特性曲线图 （测试平台下实测值）。恶加组翎热度与由率朗技尬sf kr汨割明鬲匕Rfi立I#：堂riEn-fflA.EE-kAh:从图中可以看出：当夏季水库水深在20M时，八月空调冷却水水温为21.8。，水 源热泵机组能效比（EER）为5.4,若采用板式换热器进行二次换热，其冷却水温 考虑增加2C,此时水

15、源热泵机组能效比（EER）为4.9。同理当夏季水库水深在 30M时，水源热泵机组能效比（EER）分别为6.2和5.8。而夏季室外气温在35C 时，风冷热泵机组能效比（EER）为3.2。由此可以得出在水深2030M时，采用地源热泵比采用风冷热泵其能效比提 高约为5381%。冬季水库水深在2030M时，其水温最低为8.08.3C，水源热泵机组能效 比（COP）为4.8,若采用板式换热器进行二次换热，其冷却水温考虑降低2C， 此时水源热泵机组能效比（COP）为4.7,而冬季室外气温在-2.9C时，风冷热泵 机组能效比（COP）为2.4。由此可以得出在水深2030M时，采用地源热泵比采 用风冷热泵其能

16、效比提高约为96%。从以上分析可看出：水源热泵机组能效比远远高于风冷热泵机组的能效比， 地表水显示出优于空气的换热性能。地表水的运行水温比风冷热泵的运行气温更 稳定、更有利，COP较为稳定，且不存在风冷热泵的除霜问题。同时丹江口水库水体较深，底部水体温度较低，夏季部分时段可以根据建筑物冷 负荷情况直接利用水库下部的水体来直接供冷达到少开启机组、充分节约能源的 目的，其节能效果显著。4.4几种空调冷热源方案的经济性比较分析：因武当山体育馆工程所在地无天然气供应，空调采用蓄冷、蓄热时无分时电 价政策，且由于环保的限制，燃煤锅炉禁止使用，因此本工程空调冷热源方案采 用以下三种方案进行经济比较分析。方

17、案（一）：开式地表水地源热泵空调系统。方案（二）：常规水冷螺杆机组+燃油热水锅炉空调系统。方案（三）：常规风冷热泵机组空调系统。4.4.1三种方案冷热源主要设备配置及投资比较分析（空调冷热负荷见5.2）： 见表24。方案（一）：开式地表水源热泵空调系统表2序 号名称型号规格数量单台功率/ 总功率（KW）单价/总价（万元）备注夏季、冬季空调1地源热泵机 组700KW（制冷量）450KW（制热量）夏季：7/12C 30/35C冬季：40/45C 10/5C2台130/26048/96外资2用户侧空调 水泵130m3/h, 32mHO22台30/602/4外资用户侧冷却水泵160m3/h, 20mH

18、O22台15/303/6外资水源侧循环水泵160m3/h, 32mHO22台22/444/8外资全自动软水装置2 m3/h1台1.2/1.2合 资板式换热器1.0MW1台12外资水源工程20小计394147.2方案（二）：常规水冷螺杆机组+燃油热水锅炉空调系统表3序 号名称型号规格数量单台功率/ 总功率（KW）单价/总价（万元）备注夏季空调1水冷螺杆机 组700KW（制冷量）2台130/26048/96外资2冷冻水泵130m3/h, 32mHO22台30/602/4外资3冷却水泵220m3/h, 28mHO22台37/742.8/5.6外资8冷却塔250m3/h2台5.5/116/12合 资小

19、计405117.6冬季锅炉供热1燃油热水锅 炉0.7MW 64Kg/h 轻材 油1台1.516外资2冬季热水泵70m3/h, 22mHO2211/221. 8/2.6外台资3锅炉循环水 泵40m3/h，15mHO22台4/81.2/3.6外资4全自动软水装置2 m3/h1台1.2/1.2合 资5板式换热器1.0MW1台12外资6烟囱等配件1套10/10国 优7地下室锅炉 房面积50平方米，3000元/m215/158双螺杆油泵2.7 m3/h,H=0.8MPa吸上真空度 5m,N=3kw2台3/60.4/0.8合 资9覆土卧式储 油罐5 m31台3小计37.564.2总计夏季405/冬季37.

20、5181.8方案（三）：风冷热泵机组空调系统表4序 号名称型号规格数量单台功率/ 总功率（KW）单价/总价（万元）备注夏季、冬季空调1风冷热泵机 组700KW（制冷量）520KW（制热量）夏季：7/12C tw=35C 冬季：40/45C tw=-2.9C2台218/53690/180外资2夏季、冬季 空调水泵130m3/h，32mHO22台30/602/4外资全自动软水装置2 m3/h1台1.2/1.2合 资小计596185.2从表24可看出，方案（一）空调冷热源设备投资为147.2万元，投资最小， 方案（二）空调冷热源设备投资为181.8万元，投资次之，方案（三）空调冷热 源设备投资为18

21、5.2万元，投资最大。4.4.2三种方案冷热源全年运行费用比较分析：本工程所在地能源价格为：商业用电0.95元/度，0#材油5500元/吨。根据业主提供的空调运行时间为：夏季6月1号九月15号，扣除节假日总天 数为10 0天，每天空调运行时间为3小时；冬季12月5号3月15号，扣除节假日总 天数为70天，每天空调运行时间为3小时。经计算其运行费用如下：方案（一）全年运行费：190893元，方案（二）全年运行费：270750元，方 案（三）全年运行费：288762元。显然，方案（一）全年运行费最低，比方案（三）全年节约近10万元。综上所述，在丹江口水库区域应用开式地表水地源热泵空调系统是可行且合

22、 理的。M五、开式地表水地源热泵空调系统设计实例分析：5.1工程概况建筑外景武当山体育馆地处武当山玄武新区，背山面水（丹江口水库）环境优美，视野开阔，是武当山文化体育事业发展的重点工程项目，是武当 山举办各种重大体育赛事、大型文艺演出以及各类政治集会、庆典活动的主要场 所。武山体育馆建筑面积12200M2,可容纳观众3581余人，武术比赛时可增加活 动座位792人，每个座位容积平均为11.6 M3。该项目属于丙类比赛馆，二类民 用建筑工程，筑耐火等级二级。5.2空调冷热负荷：体育馆大厅空调逐时冷负荷综合最大值：1300KW，总热负荷：700KW5.3空调冷热源设计：5.3.1、根据业主要求：体

23、育馆大厅及附属用房等设置集中空调，夏季供冷、 冬季供暖。武当山体育馆地处丹江口水库旁边，因建筑立面造型其屋面无法布置空调用 冷却塔，冬季无其它热源，因此根据工程实际情况，从节能环保角度考虑，利用 丹江口水库作为地表水，采用地表水地源热泵机组作为空调冷热源，夏季供冷、 冬季供暖。5.3.2、主要设备选择：体育馆大厅采用二台700KW （制冷量）水源热泵机组， 工况：7/12C，30/35C；制热量450 KW，工况：40/45C，10/5C，N=130KW，5.3.3、本工程空调冷热负荷最大值相差较大，水源热泵机组按夏季负荷选 择，经校核计算，机组可满足冬季热负荷要求，故冬季可以不设置辅助热源措

24、施。5.4空调冷冻水系统设计：采用二管制一次泵变流量系统，根据建筑平面布置特点，空调机房在前后二 个平台布置，空调水系统按异程设计，在空调机组回水管上设置SM-C动态平衡 电动调节阀达到平衡流量的目的。空调冷冻水系统总流量为：240m3/h。5.5空调系统冬季、夏季运行模式：空调水系统原理图见图4,空调系统冬季、夏季运行转换通过水系统上设置 的十一个手动阀门实现。空调系统冬季、夏季运行模式：夏季水库水体直接供冷一一阀9、10开，其它阀均关闭；夏季主机供冷-阀1、2、7、8开，其它阀均关闭；图45.6地表水取水系统设计：5.6.1取水构筑物的选择：因丹江口水库正常蓄水位170M,死水位/极限消落

25、 水位150/145M，水位落差25M，水位变幅较大，且本工程空调供水要求高，取水 量不大，仅为300m3/h，因此，为保证空调冷却水系统取水的可靠性，为减少取 水构筑物投资，方便施工，经过仔细比较，设计中采用摇臂式连接的浮船取水方 式，利用船舶作为冷却水泵工作平台，船随水位的涨落而升降。5.6.2浮船取水位置选择：为方便移船，减少水流、风浪对浮船的影响，本 工程浮船选择在岸坡较堵、水流平缓、风浪小的区域布置，以确保供水的可靠性 及安全性。5.6.3浮船的选择及水泵布置：浮船的数量根据供水规模，供水安全程度等 因素确定。由于本工程采用摇臂式连接，供水可靠性高，因此设计选用一条浮船。 为减少投资

26、，设计建议业主购置旧钢制码头浮船进行修缮后供本工程使用。为避 免改动浮船现有结构，设计采用上承式结构，水泵布置在平台上，其布置除满足 布置紧凑，操作检修方便外，设计中特别注意浮船的平衡与稳定。水泵机组在平 面上成纵向布置排列。5.6.4浮船的平衡与稳定：为保证运行安全，浮船应在各种情况下（正常运 转、风浪作用、移船、设备装运时）均能保持平衡与稳定。设计中首先通过设备 布置使浮船在正常运转时接近平衡，同时采用平衡水箱及压舱重物来调节平衡， 使在移船和风浪作用时，浮船的最大横倾角不超过78度为宜。5.6.5联络管和输水管：由于浮船随水库水位涨落而升降，随风浪而摇摆， 因此，设计中船上的水泵压出管与岸边的输水管之间采用摇臂式，其具有转动灵 活、不需要坼换接头、不需要经常移动船体、管理方便、不中断供水的优点。5.6.6浮船的锚固：由于水库水面四季多风，为保证取水的安全，因此浮船 的锚固显得尤其重要。本工程设计在浮船的船首与船尾各设置三对共计六条固定 锚索，同时增加角锚，使其锚固可靠，同时方便浮船移动。5.7取水系统的取水口与回水口间距：为避免取水口、回水口水体温度的相互干扰，设计时使回全水库的较高温度 的回水回至水库表面，并使取水口、回水口间距为50m。5.8取水系统