內(nèi)容提要 某工程是以辦公為主的綜合辦公樓。介紹了該工程的負(fù)荷計算，空調(diào)形式，氣流組織，冷、熱媒。著重探討了地下水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，特點，工作原理，實施條件及設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞 辦公樓 空調(diào)設(shè)計 地下水源熱泵
1 工程概況
某工程是一座以辦公為主的綜合現(xiàn)代化辦公樓?？偨ㄖ娣e
2 空調(diào)設(shè)計參數(shù)及負(fù)荷
2.1 空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)
大氣壓力 （hPa） |
室外計算干球溫度（℃） |
夏季空調(diào) 室外計算 濕球溫度 （℃） |
室外計算相對濕度 （%） |
|||||||
冬季 |
夏季 |
供暖 |
冬季通風(fēng) |
冬季空調(diào) |
夏季空調(diào) |
夏季通風(fēng) |
冬季空調(diào) |
夏季通風(fēng) |
最熱月平均 |
|
1022 |
1001 |
-9 |
-3 |
-12 |
34.7 |
31 |
26.6 |
60 |
57 |
76 |
2.2 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
房間名稱 |
設(shè)計溫度（℃） |
相對濕度（%） |
新風(fēng)量 |
噪聲級 |
||
夏季 |
冬季 |
夏季 |
冬季 |
（m3/h.p） |
dB（a） |
|
辦公室 |
24~26 |
22 |
＜60 |
45 |
25 |
＜45 |
會議室 |
25~27 |
22 |
60~65 |
45 |
25 |
＜40 |
多功能廳 |
25~27 |
22 |
60~65 |
45 |
15 |
45 |
2.3 空調(diào)冷、熱負(fù)荷
經(jīng)計算本工程空調(diào)總冷負(fù)荷為1506KW，冷負(fù)荷指標(biāo)為110W/m2；總熱負(fù)荷為1370KW，熱負(fù)荷指標(biāo)為100 W/m2。
2.4 空調(diào)負(fù)荷來源及使用特點
本工程空調(diào)負(fù)荷的特點是：夏季冷負(fù)荷與冬季熱負(fù)荷相差不大，在夏季冷負(fù)荷中，由于外窗采用雙層中空玻璃幕墻，保溫、隔熱、避光效果很好，即圍護結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷較少，主要冷負(fù)荷來自辦公室人員冷負(fù)荷和辦公設(shè)備冷負(fù)荷，因此，內(nèi)部冷負(fù)荷較大是辦公室的一個顯著特點。
從使用上來說，由于辦公室時間比較統(tǒng)一（通常是8：00~18：00左右），因此機電設(shè)備的集中管理是較容易做到的。而對于部分樓層對外出租情況，由于租戶對分隔和裝飾的要求各不相同，因此大多是按大開間設(shè)計后進(jìn)行二次分隔。這樣空調(diào)的布置應(yīng)有一定的靈活性和可變性。
3 空調(diào)設(shè)計
3.1 空調(diào)形式
本工程空調(diào)方式采用風(fēng)機盤管水系統(tǒng)，只在各層會議室設(shè)有吊頂式新風(fēng)換氣風(fēng)機，其余房間的新風(fēng)均由門洞引入。采用風(fēng)機盤管可進(jìn)行局部區(qū)域的溫度控制，使用更為靈活，有利于全年運行的節(jié)能。
3.2 氣流組織方式
3.3 風(fēng)機盤管形式
本工程風(fēng)機盤管空氣流程形式采用壓出式，即風(fēng)機位于盤管的上風(fēng)側(cè)，這種形式的優(yōu)點是盤管送風(fēng)均勻，冷、熱效率相對較高。安裝形式采用臥式暗裝，為側(cè)送風(fēng)底回風(fēng)，將它放置于吊頂內(nèi)，對吊頂?shù)难b修較為有利。
3.4 冷、熱媒參數(shù)
本工程空調(diào)冷、熱媒自行制備，集中供給，供回水溫度分別為：夏季冷凍水溫度為7/
4 空調(diào)冷、熱源
4.1 冷、熱源型式
由于高層民用建筑空調(diào)使用的一年四季中，冷、熱源是交替使用的。目前國內(nèi)采用的制冷及供熱方案基本上有3個：方案1—水冷冷水機組+鍋爐供熱；方案2—吸收式制冷+鍋爐供熱（或直燃式吸收制冷機組制冷供熱一體化）；方案3—空氣源熱泵機組制冷供熱一體化。筆者認(rèn)為把冷、熱源割裂開來分析是不完善的，不同的冷、熱源及設(shè)備的組合對于其整個建筑的綜合經(jīng)濟性是完全不一樣的。充分提高設(shè)備運行效率和利用率需要統(tǒng)一考慮冷、熱源問題，因此筆者建議采用方案3，其實較理想的全年冬夏供熱制冷的冷熱源方案應(yīng)該是：在夏季使用水冷方式制冷，而冬季使用熱泵方式供熱。
目前使用的空氣源熱泵大致可分為兩大類：即空氣—空氣熱泵和水—空氣熱泵。前者通過對外界空氣的放熱進(jìn)行制冷，通過吸收外界空氣的熱量來供熱。這種熱泵供熱量受到室外氣溫的影響較大，當(dāng)室外氣溫較低時，其供熱的COP值大幅下降，甚至在某一低溫以下時無法正常工作?？紤]到濱州冬季氣象條件，筆者認(rèn)為不宜采用這種形式。
水—空氣熱泵的載熱介質(zhì)為水（故簡稱水源熱泵），制冷時，向水放熱而把空氣冷卻；供熱時則從水中取得熱量。如果保證一定的水溫，這一裝置的制冷系統(tǒng)和供熱的COP值都始終能保持較好。因此筆者綜合考慮各方面因素后，建議使用水源熱泵系統(tǒng)做為空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源。
4.2 水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
地下含水層儲能技術(shù)起源于二十世紀(jì)六十年代的上海，在世界上開創(chuàng)了“冬灌夏用”、“夏灌冬用”的地下含水層儲能技術(shù)的先河。而地下水源熱泵在國內(nèi)的應(yīng)用始于二十世紀(jì)九十年代中后期，被稱之為綠色能源技術(shù)。由于其制冷效果好，造價低，容量大，水的溫度穩(wěn)定，所以市場占有率高。
4.3 水源熱泵系統(tǒng)的特點
（一）熱量的轉(zhuǎn)移
由于內(nèi)部冷負(fù)荷所占的比例較大，因此進(jìn)深較大的辦公室有必要劃分內(nèi)、外區(qū)。外區(qū)常常是夏季供冷，冬季供熱的運行狀態(tài)；而內(nèi)區(qū)全年要求供冷運行，因此如果能夠把建筑物內(nèi)部的部分區(qū)域得熱移到需要供熱的外部區(qū)域，則可以最大限度的減少外界供給的冷、熱源，提高能源的利用率，這是最經(jīng)濟的節(jié)能方式之一。從水源熱泵系統(tǒng)的形式來看，它具有這種熱量轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢。
（二）熱泵供熱能效比高
與空氣源熱泵相比，水源熱泵由于采用水冷式熱交換器，且可以把水溫控制在較合適的范圍，因此它設(shè)計的供熱COP系數(shù)及全年運行的平均COP系數(shù)都遠(yuǎn)高于空氣源熱泵。這就保證其運行工況的穩(wěn)定，達(dá)到節(jié)能的目的。
（三）運行節(jié)能
由于水源熱泵裝置分散布置，比較容易滿足系統(tǒng)同時使用系數(shù)上的要求，因此這一特點使其全年運行能耗較低。
水源熱泵系統(tǒng)保證實現(xiàn)四管制系統(tǒng)精確滿足建筑內(nèi)各區(qū)域的不同運行工況的要求。
（一）減少管道管理
水源熱泵系統(tǒng)，只有循環(huán)水管。從循環(huán)水管的管徑來看，它與中央空調(diào)系統(tǒng)的冷卻水管相當(dāng)；從管道的布置上看，它則與中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水管的布置相似，因此水源熱泵系統(tǒng)的管道大為減少，不但施工更快捷，而且占用空間減少。
（二）不用保溫
循環(huán)水的溫度在15~
（三）節(jié)省機房面積
在水源熱泵系統(tǒng)中，需占用面積的中央設(shè)備只有循環(huán)水泵，而沒有諸如冷水機組，冷凍水泵等，因此占地面積小得多，可節(jié)省較多的機房面積，提高了建筑面積的利用率。
（一）管理收費方便
在水源熱泵系統(tǒng)中，主要的用電點是用戶安裝的水源熱泵裝置，因此只要記錄其用電量，就可以更準(zhǔn)確的確定收費情況。因此，這有可能使整個建筑的運行能耗更得以節(jié)省，也避免了因平均收費所帶來的一系列問題。
（二）可靠性高
分散裝置水源熱泵的這種系統(tǒng)，具有非常高的可靠性，當(dāng)某臺裝置的故障需要檢修時，不會影響其它裝置的正常運行，這是其所具有的一個較大的優(yōu)點。
（三）控制簡單
每臺設(shè)備采用獨立的控制方式，互不影響，也不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使得控制更加簡單和可靠。
4.4 水源熱泵系統(tǒng)的對辦公樓的適用性
①由于這些建筑物具有較為穩(wěn)定的內(nèi)部熱源，因此其運行的能耗相當(dāng)節(jié)省。
②系統(tǒng)投資可分步到位，有利于開發(fā)商的投資回收年限縮短。
③各用戶可根據(jù)需要就地進(jìn)行獨立控制。
④便于對各出租用戶進(jìn)行收費。
4.6 水源熱泵系統(tǒng)項目實施的條件
地下水回路技術(shù)的邊界條件是：水文地質(zhì)條件，地質(zhì)條件不同，整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性也不同，它是一種客觀條件，也是項目實施的先決條件?；镜牡刭|(zhì)條件為：①含水層的深度在
筆者仔細(xì)查閱了科技大廈的勘察設(shè)計資料，了解到：
（一）場地地下水情況
該場地地下水的類型為第四系孔隙潛水，補給來源以大氣降水及黃河水為主，排泄途徑以地面蒸發(fā)為主；水位埋深2.10~
（二）地下水環(huán)境檢測報告
項 目 |
測試結(jié)果（Z2孔） |
測試結(jié)果（Z2孔） |
鈣 |
190 |
187 |
鎂 |
41.1 |
38.2 |
141 |
156 |
|
氯化物 |
212 |
203 |
硫酸鹽 |
271 |
319 |
碳酸鹽 |
0.00 |
0.00 |
重碳酸鹽 |
420 |
389 |
離子總量 |
1280 |
1290 |
總硬度 |
645 |
625 |
總堿度 |
344 |
319 |
礦化度 |
1070 |
1100 |
PH值 |
7.4 |
7.7 |
氨氮 |
＜0.05 |
＜0.05 |
硝酸鹽氮 |
7.57 |
13.5 |
備注：單位除注明外，均為mg/l。 |
||
（三）場地各層巖土的分布和性質(zhì)
詳見勘察設(shè)計資料
通過認(rèn)真對照上述的先決條件，分析研究后，筆者認(rèn)為該地區(qū)的水文地質(zhì)條件比較適合采用水源熱泵系統(tǒng)。
隨著地下水資源的日益減少，政府部門要求地下水實行全面回灌。而國內(nèi)的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分為壓力回灌和真空回灌兩種。壓力回灌適用于高水位和低滲透性的含水層；而真空回灌僅適用于低水位和滲透性好的含水層。現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)系統(tǒng)都采用這種方式的地下水回灌。
地下水回灌的堵塞問題成為制約此項技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。造成井堵的原因是多種多樣的，下表列出了各種堵塞機理和相應(yīng)的物理和化學(xué)處理方法。
堵塞種類 |
成 因 分 析 |
成 因 |
處理方法 |
物理堵塞 |
砂層壓密 |
砂層擾動壓密，孔隙度減小，滲透性能降低 |
打新井 |
懸浮物堵塞 |
渾濁物被帶入含水層，堵塞砂層孔隙 |
控制水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) |
|
氣相堵塞 |
空氣被帶入含水層或地下水地下輸送過程中脫 氣而被帶入回灌井中的含水層 |
回?fù)P |
|
化學(xué)堵塞 |
管道化學(xué)沉淀 堵塞 |
水中的Fe，Mn，Ca，Mg離子與空氣相接觸所 產(chǎn)生的化合物沉淀，堵塞濾網(wǎng)和砂層空隙 |
回?fù)P，酸化（HCl） 處理，水質(zhì)監(jiān)測 |
管道電化學(xué)沉 淀堵塞 |
管道和過濾器因受電化學(xué)腐蝕，水中鐵質(zhì)增加， 堵塞了濾網(wǎng)或砂層的孔隙 |
||
生化堵塞 |
生物化學(xué)堵塞 |
鐵細(xì)菌、硫磺還原菌大量繁殖 |
回?fù)P，適量殺菌劑 |
根據(jù)井的堵塞性質(zhì)和原因，可采用連續(xù)回?fù)P法，化學(xué)法和滅菌法等處理井堵塞問題。
水源熱泵系統(tǒng)中地下水回路的應(yīng)用技術(shù)，不僅可以達(dá)到建筑節(jié)能的目的，而且又實現(xiàn)了地下含水層可持續(xù)利用。只要我們堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，用先進(jìn)的技術(shù)作保障，就可以做到環(huán)境與發(fā)展的和諧。
4.7 水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計
（一）冷、熱量及水量的確定
采用此系統(tǒng)時，夏季需要冷量的計算方法與其它系統(tǒng)都是相同的。冷量計算完成后，各臺水
熱量的計算是重要的，計算中必須考慮到內(nèi)部熱源的散熱。在冬季設(shè)計狀態(tài)時，如果建筑內(nèi)部熱源散熱量能夠滿足整幢建筑的熱損失，則輔助熱源可不需要；反之，則應(yīng)詳細(xì)計算輔助熱源的熱量需求。
（二）系統(tǒng)形式
水源熱泵水路系統(tǒng)通常采用一次泵系統(tǒng)，其運行簡單，管理也比較方便。為保證運行可靠，必須設(shè)置備用泵。無論是支路還是每個裝置，采用同程式水系統(tǒng)更能達(dá)到水力平衡的要求。
（一）冷卻塔
在水路系統(tǒng)中，為保證水質(zhì)不受影響，一般要求循環(huán)水做成密閉式系統(tǒng)，不直接與大氣接觸。采用封閉式蒸發(fā)冷卻塔是一種較好的選擇。
（二）熱交換器
可采用板式熱交換器，把冷卻水與循環(huán)水分開的方式，為了保證換熱器能正?？煽抗ぷ?，一般來說應(yīng)采用兩臺以上并聯(lián)運行。
（三）水源熱泵機組
選擇機組時，應(yīng)注意的事項有：
①要符合實際使用條件，對制冷量和供熱量應(yīng)根據(jù)實際條件進(jìn)行一定的修正。
②為了保證使用的可靠，所選擇機組的實際冷量應(yīng)大于或接近計算要求的冷量。
③必須注意到其工作壓力。
水源熱泵機組本身自帶有比較完善的自控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，要進(jìn)行監(jiān)控的范圍主要是冷卻塔，水泵等設(shè)備的啟停及循環(huán)水溫控制。
（一）水源熱泵機組的控制
一般小型機組的控制，即采用回風(fēng)溫度直接控制壓縮機的啟停。
大、中型機組采用多臺壓縮機分級控制的方式。
最合理及最節(jié)能的方式是采用對壓縮機進(jìn)行變頻調(diào)速控制。
（二）循環(huán)水溫控制
水源熱泵系統(tǒng)的一個明顯優(yōu)點是在季節(jié)轉(zhuǎn)換方面。由于其循環(huán)水量的適用范圍較大（15~
①利用循環(huán)水供水溫度直接控制閉式冷卻塔的運行臺數(shù)。
②利用循環(huán)水供水溫度直接控制冷卻塔風(fēng)機的轉(zhuǎn)數(shù)。
5 結(jié)論
水源熱泵系統(tǒng)是我國近年來迅速發(fā)展的新型空調(diào)系統(tǒng)，是一種環(huán)保、節(jié)能的能源利用方式。我們必須積極引進(jìn)國外成熟的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃?，氣象，?jīng)濟等情況而逐步推廣應(yīng)用。從本質(zhì)上解決地下水的回灌問題，建立示范性項目，不斷提高技術(shù)水平。水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計理論還需要在實踐中不斷完善。相信隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施和國家對環(huán)保、節(jié)能的高度重視，水源熱泵系統(tǒng)必將有著廣闊的發(fā)展前景。
