水源热泵与地面辐射供暖及空调系统在工程中的应用

水源热泵与地面辐射供暖及空调系统在工程中的应用 水源热泵与地面辐射供暖及空调系统在工程中的应用 中国有色工程设计研究总院  邓有源       摘要  针对水源热泵与地面辐射供暖及空调系统在民用住宅工程应用存在着相关的问题，在设计及运行调试中对房间地面露点温度的控制，地板面温度的确定及运行调试中发现的问题加以论述，同时讨论了除湿系统对地板表面结露现象的关系。 关键词   水源热泵    地板辐射供暖及空调系统    地面露点温度    除湿系统     1 问题的提出     针对民用住宅供暖费用居高不下，空调大量耗电，如果只需要一套公用设备，既解决冬季供暖又能夏季空调这一课题, 国内外众多科研单位及学者做了大量的尝试，提出了很多系统方案,比如分别采用地源热泵、水源热泵、空气源热泵及热泵机组与风机盘管供暖及空调方式；再者采用双末端的空气源热泵空调系统；还有冬季及夏季通过集中处理，采用风管送风空调系统。以上组合方式无论采用风管系统或风机盘管,虽然在节能上有一定的优势,但也存在不可克服的缺点, 如送风机、未端装置风机盘管的耗能问题; 风机盘管的噪声影响睡眠问题; 有的用户反映冬季使用风机盘管，室内空气比其它采暖方式要干燥、并且室内灰尘较大，不舒适等。以上诸多问题随着空调在居民家庭中的普及,人们生活质量的提高,对室内空气品质的要求越来越高,不得不面临一些新的问题与设想,如房间温湿度对人的舒适性、能源节约和环境保护、尤其是选择住宅建筑供暖及空调方式时,不仅要满足居室的舒适性，而且应考虑生活品质一步到位要求，同时更应该考虑供暖及空调系统的初投资、年运行能耗和费用，并且在初投资和年运行费用之间找到平衡点等。     建设部建质(2005)26号文，己明确了地源热泵、水源热泵供暖空调新技术在建筑中推广应用的重要性，同时提出水源热泵在建筑领域规模化应用，不仅可以提高自然资源的利用效率，而且在节能的同时又可保护环境，从而使水源热泵的研究应用将进入一个新的阶段。在此基础上国内许多企业正在探讨水源热泵及配套的节能装置-水源热泵与地面辐射供暖及空调系统。比如北京的国际锋尚公寓，对住宅区首次成功运用地面制冷加新风置换除湿，来保证房间的温湿度要求，还有些院、所利用一些小型试验装置，开展小范围的试验以求达到冬季供暖，夏季空调的目的。到目前为止，这项成果的开发，在国内还没有能够在大面积民用住宅推广应用,特别在南方以降温为主、供暖为辅的住宅及办公楼，这一课题的研究尤其重要。因此根据这一课题结合实际工程进行研究与实施，目前冬夏设备运行正常，节能数据有待于总结后发表。     2 工程概况     本工程位于河北省某市,由房地产公司开发的集商业门面、办公及住宅为一体的综合型建筑,总建筑面积约9000平方米。本建筑一至二层为商业门面,出租独立经营,三至七层为综合办公楼及24套民用住宅, 建筑物为砖混结构,外墙为370mm砖墙,正面采用大面积玻璃幕,一至二层层高为3.6米,其余均为3.3米。     工程于2003年初委托设计并开工,2004年年底己竣工,水源热泵及地面辐射供暖系统冬季已投入运行,2005年夏季供冷水系统已投入试运行。该项技术实施，是在水源热泵系统基础上进行技术改进，配合地面辐射供暖原理，实现了冬季供暖、夏季空调，冷热源一体化。     3 冷热源设备的确定     水源热泵技术，在北美和欧洲的许多国家己得到广泛的应用，它是利用地球表面的浅层水源，实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别作为冬季供暖的热源以及夏季空调的冷源，在冬季将地层水中的热量取出，通过热泵机组的蒸发器放出热量，从而使建筑物达到供暖的目的。夏季通过热泵机组的冷凝器吸收热量，从而使建筑物达到空调的目的，做到一套设备可以替换原来的锅炉和制冷两种装置。     众所周知，水源热泵能源利用率高，它的能效比(COP值) 1千瓦电能可得到3.5～4.6千瓦制冷及供热的能量，比风冷空调高40%左右，运行费用比风冷空调低40%左右，另外，地球表面的浅层水源温度恒定，常年能保持14～16℃的恒温水源，因而使水源热泵机组运行稳定、更可靠。     水源热泵系统环境效益非常显著，该装置没有燃烧，不但减少了温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物排放，同时它与空气源热泵相比，污染物排放相当于减少40%，与电供暖相比，相当于减少70%。因此水源热泵不仅环境效益非常显著，同时它在建筑供热空调中是一种可持续发展的建筑节能新枝术。     根据国外的经验，由于水源热泵系统运行费用较低，增加的投资可在7年内收回，同时水源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。     综上所述，本建筑物设有住宅、商业及办公用房，应有冬季供暖和夏季空调的要求。同时应考虑本建筑物使用功能及不同使用系数可能性，夏季空调需求量在建筑物内应有所调剂。另外该建筑物地理位置正处在地下水资源非常丰富，经当地地质工程部门进行了实地勘探，而土壤呈沙粒型易于回灌。因此通过几种冷热源系统方案比较，同时综合多种因素，确定本工程选用水源热泵直接式系统作为冷热源设备。     4 供暖及空调设计     4.1 冷、热负荷计算     冷负荷计算己包括照明、人员及电气设备发热量,冷热负荷计算结果见表一所示.。     表1  冷热负荷计算结果      名   称 冷负荷(kW)   热负荷(kW)  一～二层商店   387.2    314.7  综 合 办 公  256.0  221.5   住      宅  108.7   88.6                                                     4.2 供回水参数的确定 冬季地面供暖由水源热泵供给50℃热水,回水温度为40℃.夏季过度季节由水泵直接提供13～16℃深井水,除湿及部分时间由水源热泵提供7℃冷冻水,回水温度为12℃。     4.3 供热及空调地表面温度     4.3.1 供热地表面平均温度     地面设计不同装饰材料的表面温度,是来自于人的脚直接与过热和过冷的物体表面接触,本设计参照国际ISO7730,对于室内不运动的人来说,室温宜在19～26℃之间, 29℃是地面供暖系统地表温度的极限;欧盟CEN建议对地表面供暖温度,根据舒适程度可分为3项等级,A级别最高,B与C级别较低.因此地表面供暖温度是根据不同的舒适等级程度确定的，供暖对地表面温度范围见下表2.     表2  供暖对地表面温度选定范围 级 别        垂直温差   供暖地表面温度范围                       A  ≤2℃  19～29℃  B  ≤3℃   19～29℃  C  ≤4℃  18～31℃                         通过表2得知,地面辐射供暖的地面表面温度范围是19～29℃。     4.3.2 供冷地表面平均温度    下面给出了夏季制冷系统限制条件：    4.3.2.1室内空气温度应低于26℃。    4.3.2.2供冷时，地表面平均温度不应高于19℃。    4.3.2.3在脚与头部之间的温差(从0.1～1.1m)应低于2℃。    4.3.2.4空气的绝对湿度不应高于15g/Kg。    4.3.2.5地表面平均温度对室内垂直温差比较小，但换热主要以辐射方式进行，数据见表3。    表3  水温与垂直温度差                                         水温(℃) 20   18   14  12  10   0.1～1.1m温度差  0.5  0.5   0.5   0.4  0.4     正如表3所示，对于一个坐在椅子上的人来说,高度从0.1～1.1m之间,在温差低于0.4～0.5℃所规定的范围内，因此夏季地表面设计温度的确定，应根据人体舒适性和经济性双方面的要求综合考虑确定,夏季设计制冷系统的地表面温度一般为19～20℃。通过运行后对地表面平均温度实测,也证实本设计参数的确定是正确的。     4.4 夏季相对湿度对房间初始露点的要求     本工程处在某城市的夏季最热月平均露点可根据气象资料推算求得，推算数据见表4。     表4  本城市夏季计算初始露点                               最热月平均 温度(℃)  最热月平均 相对湿度(℃)   平均计算 露点(℃)    25.8   77   25.2     5 供冷、供暖及除湿系统的设计     5.1 供冷、供暖的设计    供冷、供暖及除湿管路系统水的输送,应分室外管网及室内管道系统。室外管网系统采用外保温直埋,在室外管网与室内管道连接入口处设有竖井便于系统检修。为便于管理及调节,底商计量装置均设在竖井内,办公室除业主要求每层设供冷水、供热计量装置外,还有在住宅管道入户处，均设有供冷水及供热计量装置。     根据层高及使用功能的不同，为便于系统的调节，独立分别设置了底商、办公区及住宅3个不同的供冷水及供暖系统，为解决系统阻力平衡打下良好的基础，通过实际运行后，实践证明这种设计思路是正确的，在供冷水及供暖系统上值得借鉴。 便于除湿的要求，供冷水及供暖系统采用三管下送下回方式,在环路立管上的最高处设有自动排气阀,在供回水支管上设有调节阀，为防止水垢堵塞地面加热及冷却盘管系统，在供水支管上设专用过滤器及冲洗管路装置。     5.2除湿系统的设计     除湿系统的设计与何时启动湿负荷的时间有关，同时应考虑自控范围及工程初投资的可行性。在设计中应了解地表面温差的变化、室外相对湿度、室内设计温度及控制露点的相连关系，特别是启动湿负荷的时间，应与地面不同的埋管管径、间矩、系统的流量，埋管深度及地面装饰材料等参数有关。     6 系统运行调节     6.1供热系统投入运行     供热系统2004年10月底投入运行及调试，运用政府晚11时至早7时每度0.2元峰谷电价(其余时间为每度0.45元)政策，再加上地面辐射供暖特有的蓄热功能。运行中如室外温度偏离设计温度过大达不到室内设计温度时，如在峰电时间启动水源热泵外，其余都在谷电时间运行，供暖期结束后冬季供暖费用建筑面积每平方米为16元。     6.2供冷系统投入运行     2005年6月15日供冷系统投入运行及调试，首先起动深井水回灌系统，15℃的井水并经过了华北地区罕见的高达40℃（室外）酷暑考验,室内仍然能达到 25℃室温。至7月18日止，运行费用每月建筑面积每平方米约1元。2005年7月18日起动水源热泵制冷系统及除湿装置，利用谷电价政策及消防水池蓄冷功能，水源热泵几乎低谷时间启动再加上水池低温水的释放，以满足建筑物室内设计的空调温度，运行费用每月建筑面积每平方米约3元。     目前正值华北地区雨季，湿度每天增大，空气含湿量有时高达90℅,室内空气湿度早己超过露点温度时,使地面结露产生冷凝水问题这一公认的难题,已得到很好的解决，己达到设计所确定的各项参数。但是以上所提到的运行费用，仅供大家参考，有待于夏季空调运行时间结束后，方能总结一年来空调及供热的全年费用，到时候以适当的机会再宣布我们实测的数据。     7 讨论与展望     这项科研节能技术从课题、设计到运行调试的成功,证实了国内以水源热泵作为冷热源与地板辐射供暖及空调系统在工程中运用是可行的，为民用住宅采用冷热源一体化，节省工程造价、节约能源，改善室内环境做了一些尝试。本技术应用前景非常广阔，为今后推广打下了良好的基础和经验。虽然在地面辐射空调运行中，冷负荷的贮存、冷辐射机理，房间温度梯度与国内提供的有关资料论述有相同点，但也存在许多不同点，因此有些事实现象存在的原因及机理，需要在今后工程中不断探讨总结及分析。     7.1 地板表面冷辐射温度对大门开启时产生垂直及分层现象     当室外温度为40℃时，如果站在未关大门处，伸出两支手能明显感觉出室内与室外温差变化，这种温差变化与大门开启时间无关。另外室内空间气流易产生分层现象，这种现象只有在开启窗户或开启风扇时尤其突出, 在室内空气中，人的头部非常明显感觉出上下温度差变化的存在，而且这种变化随着时间的延长而缓慢消失。     7.2 夏季室内地表面平均温度与供水温度之间的关系的影响应引起重视     夏季高负荷条件下，外墙面温度达到32℃时，冷冻水温度从16℃降低至12℃，室内地表面平均温度也很少低于20℃，即使对地面停止供给冷冻水48小时，室内地板表面平均温度才下降1℃。实验证明冷辐射对地面及墙体蓄冷不是随着供水温度改变而突然改变，而地板表面及室内温度也不是随着时间的变化而改变，这种相变特性的惰性如此的缓慢是很难想象的。因此了解这一现象的存在对夏季采用地面冷辐射空调时，对室外初始露点的控制时间滞后性尤其重要，特别控制地面结露产生冷凝水的时间估算提供了一定的经验数据。     7.3 利用消防水池蓄能，是水源热泵供热及空调系统运行节能措施之一     消防水池蓄能，在水源热泵供热及空调系统中可解决两个问题，首先尽可能利用消防水池蓄冷蓄热功能。本工程在地下建有300m3消防水池，同时也实施分时电价，即峰谷电价，谷电运行时间规定为夜间二十一时开始至早晨七时结束，以上时间尽可能发挥消防水池蓄冷蓄热的作用，减少峰电开机时间。再者对提高二次水温温度，提高消防水池的蓄冷蓄热能力，以控制合适的供冷水温，确保地表面结露现象所采取的有利措施。实践证实，采用水源热泵分时段运行模式，同时利用消防水池蓄冷蓄热，不但转移高峰电力、平衡电力负荷，降低运行费用，同时也是空调系统冬夏运行最主要的节能措施之一。     7.4 水源热泵系统设计应考虑地下水直供的可能性      通过工程调试中得知，地面辐射空调系统有它的特殊性，为防止地表面结露而供水温度一般控制在12～16℃之间运行，因此夏季井水一般都在12～16℃范围内，正好适用地面辐射空调系统的冷源，利用这一天然能源并通过夏季测试，获得50℅以上的节能效果。