高层建筑冷热源系统优化设计分析

高层建筑冷热源系统优化设计分析

王吉虎

新汶矿业集团有限责任公司 山东泰安 271200

摘要：通过对某高层建筑采用水源热泵系统与市政采暖+螺杆式冷水机组制冷方案两种进行对比分析，选出最优方案。

关键词：高层建筑 水源热泵系统 螺杆式冷水机组制冷

近年来，随着我国城市化水平的不断提高，高层建筑越来越多。高层建筑冷热源系统要结合各地区的实际情况进行设计，详细分析不同设计方案的优缺点，选择技术可靠、投资及运营成本综合较低的方案。本文通过对某高层建筑采用水源热泵系统与市政采暖+螺杆式冷水机组制冷两种方案进行对比分析，选出最优方案。

1.工程概况

本工程为山东能源新矿集团伊犁能源大厦水源热泵工程，大厦总面积34667m2,共地下2层，地上19层，总建筑高度75.9m，为高层办公写字楼。设计范围为办公楼和地下室各功能用房的采暖、空调、通风及防排烟系统。

原有设计为：该工程采用水源热泵系统提供夏季空调制冷冷源，冬季低温地板辐射采暖热源及辅助空调采暖热源，生活热水系统热源。

该项目设计总冷负荷2400kw，总热负荷1900kw。现阶段依据新疆伊犁区域中央空调市场状况及相对应环保政策、及伊宁市气候等情况，对该方案提出重新调整建议，即由市政采暖+螺杆式冷水机组制冷方案代替原有方案。

2.水源热泵系统简介

2.1水源热泵原理

地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。

在水源热泵的水井系统中，水源热泵一般成井深度为50米到300米，因为此部分地下水主要由地表水补给，且不适宜饮用，故用于水源热泵中央空调是极佳选择水源中央空调系统的是由末端（室内空气处理末端等）系统，水源中央空调主机（又称为水源热泵）系统和水源水系统三部分组成。为用户供热时，水源中央空调系统从水源中中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机（热泵）“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调将用户室内的余热通过水源中央空调主机（制冷）转移到水源中，以满足用户制冷需求。

2.2水源热泵系统优点

水源热泵机组以水为载体，冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。该机组具有设计标准、选择优良、操作简便、安全可靠等优点。由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点。

2.2.1环保效益显著

水源热泵是利用了地表水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使环境更优美。

2.2.2高效节能

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18-35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。

2.2.3运行稳定可靠

水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

2.2.4一机多用，应用范围广

水源热泵系统可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

2.3水源热泵系统缺点

2.3.1维护费用高，地下水位易受水流量的大小而变化，从而影响建筑物的制冷供暖效果。

2.3.2用水量大，长时间运行后，易造成地层结构的破坏而造成塌方。

2.3.3对安装工艺要求很高，需要配备除砂器、净水过滤器、电子水处理仪、除铁设备等。否则将会严重堵塞设备造成水地源机组的破漏或堵塞等各种情况，严重影响设备寿命。

2.3.4使用水源热泵需要进一步作打井审批部门的工作。整个系统需要一个提升井（打在地下河上游）、三个回灌井（打在地下河下游），由于打井的有关审批部门对此项新生事物会存有疑虑，如抽出的地下水能否真正得到回灌、较高的回水温度是否会引起其它问题等。所以，需要根据当地水资源及政策情况，考虑能否选用水源热泵。

3.市政采暖+电制冷水冷螺杆系统简介

3.1市政采暖+水冷螺杆原理简介

制热，制冷分为两套主机系统，采暖通过市政管网通过板换接至中央空调系统内进行采暖，共用同一套末端系统。水冷螺杆在夏季使用。

3.2市政采暖+水冷螺杆系统优点

3.2.1制热效果稳定，节省维护成本

市政采暖制热稳定，避免了许多制热不稳定问题。冬季没有了制热机组也大大节省了维护检修等成本。

3.2.2节省初投资

采暖与中央空调共用同一个末端系统，减少了大部分地暖的铺设成本。

3.2.3高效节能

精确的压缩机转子间隙，有效减少从螺杆转子高压侧回流至低压侧的制冷剂流量。 压缩机转子与电机直接连接，不带齿轮箱，避免齿轮传动造成的能量损失。 采用滑阀无级调节压缩机的负荷，有效提高部分负荷时的机组效率。 采用电子膨胀阀，控制更精确。采用降膜式蒸发器，换热效率高。

3.2.4环保冷媒

采用R134a冷媒对地球臭氧层无破坏作用，符合《蒙特利尔议定书》的要求。 降膜式蒸发器，可以减少制冷剂充注量

3.3市政采暖+水冷螺杆系统缺点

与市政采暖进行连管，需要接口费，需要机房建设。

4.总结

根据以上介绍，两种方案各有千秋。虽然市政加水冷螺杆的方案在市政接口费的初投资上占了很大一笔费用，但是总体费用较水源热泵投资低，运行费用只占水地源热泵的运行成本的43.8%。由于水地源热泵机组在每年使用过程中保养维修成本也远大于市政+水冷螺杆。水地源热泵在可靠性上亦不如市政+水冷螺杆方案，所以建议将水地源热泵方案更改为市政+水冷螺杆方案。

相比之下，水源热泵更适合南方地区（河流资源丰富，水质较好），若要在北方地区使用水源热泵，则限制较多，我国目前为了保护有限的水资源，制订了《中华人民共和国水法》，各个城市也纷纷制订了自己的《城市用水管理条理》。这些政策均强调用水审批，用水收费。而审批的标准中对类似水源热泵技术的要求没有规定，所以水源热泵很容易被用水指标所限制。

参考文献：

1.胡映宁,林俊,王艳,等. 夏热冬暖地区地源热泵供热制冷系统的适应性研究[J]. 建筑科学,2012

2.刘金平,刘磊,刘雪峰,等. 办公建筑空调制冷系统节能改造分析[J]. 建筑科学,2012

作者简介及联系方式

作者简介：王吉虎，山东泰安人，2008年毕业于烟台大学土木工程专业。毕业以来一直从事建筑行业相关工作。