济南市某温泉度假中心水源热泵系统设计
摘要：以具体工程为实例简要介绍了以地下水为水源的水源热泵系统设计，针对水源热泵系统的特点，从系统的调节、转换和控制方式上进行了分析；指出为了最大程度的发挥该系统的节能优势，应采取多种控制方式同时进行，提高系统的自动化程度。最后，对该系统的投资和运行费用进行了计算和讨论。
近年来随着新能源的开发和环境保护意识的增强，地热资源的利用也越来越受到世界各国的重视，特别是在许多西方发达国家，如挪威、冰岛等国，地热资源在暖通空调和热水供应等领域已经得到非常广泛的应用。水源热泵系统与其它普通热泵系统相似，其工作原理是利用地下水、城市污水、工业废水、或地热尾水作为冷却或加热水源，通过压缩机蒸发冷凝循环，消耗部分电能，来实现夏季供冷、冬季供暖，达到节能和环保的功能。水源热泵系统在国外已得到广泛应用，国内工程目前应用还较少，应用时间也相对较短，但其节能和环保的特点已逐步引起了科研和设计部门的关注。
地热资源包括土壤、岩石、浅层地下水和深层地热水等，水源热泵与地热资源应用于供冷供暖的系统形式主要有以下几种，见图1。
目前工程应用较为成熟是采用浅层地下水和深层地热水的系统形式，对以土壤为系统热源的热泵系统，目前国内也已开始研究使用，本文因篇幅所限不作深入探讨。水源热泵系统从被处理对象不同上又可分为水—水热泵和水—空气热泵，本文以某具体工程为例着重对水—水源热泵系统进行论述。
2工程概况
济南市某温泉度假中心位于济南市东郊，占地面积12.6hm2，建筑面积30050m2，是集宾馆、会议、餐饮、娱乐等功能于一体的综合性建筑组团。本工程所处地区无市政给水，但地下水资源丰富，现有已建成深层地热井两眼，井深1050m，出水温度35℃，出水量31m3/h(降深8m)。
本工程冬季要求供暖，夏季要求供冷，冬夏均要求24h热水供应；另外,温泉嬉水池冬季还要求对池水进行辅助加热，以保证池水温度恒定。因工程所处地区离市区较远，附近无市政冷热源可供利用，结合工程实际情况和特点，经过反复计算、论证，确定了新型、无污染、节能的能源利用方式—水源热泵系统。工程设计前笔者对目前国内已经竣工使用的部分同类工程进行了考察调研，考察工程运行参数见表1。
3负荷计算
本工程各主要建筑单体功能及面积见表2。根据文献[1]计算得设计总冷负荷为2420kW，设计总热负荷为1660kW。另外，泳池水加热和客房卫生热水加热负荷为634kW。
4系统设计
本工程水资源热泵系统共设计分为两部分内容：以浅层地下水作为水源的空调热泵系统和以深层地热水为水源的热水加热热泵系统。经计算，现有两眼地热深水井储水量除温泉洗浴用水外，多余水量仍能满足热水加热水源热泵系统需用水量；根据需要，除原有两眼地热深水井以外，另新打两眼浅层抽水井和两眼回灌井，作为空调系统水源。井深240m，单井出水量130m3/h，出水温度15℃，抽水井与回灌井间距120m，并可相互转换以利于延长水井使用寿命，系统流程见图2。
4.1空调热泵系统流程
空调系统设计参考文献[2]所述方法，根据冷热负荷计算结果，最终选用ZWHP-950型中温水源热泵机组三台，单台机组制冷量815kW，输入功率185kW，制热量885kW，输入功率250kW，机组制冷、制热COP值分别为4.4和3.5。三台机组冬季两台运行，夏季三台运行，因实际运行多在70%以下负荷，很少达到设计负荷值，故为减少初投资费用不再另设备用机组。根据地下水水质分析报告，该地区水质氯根含量高达800mg/L，属腐蚀性水，为保护热泵机组选用两台钛板板式换热器进行间接换热，这样既可以保护机组不受腐蚀和减少结垢，又可以根据实际负荷变化改变井水流量，达到节水节能的目的，因增加板式换热器和二次水系统，系统初投资会有所增加。冬季制热时，15℃井水经板式换热器，温度降为8℃，板式换热器二次水作为水源热泵水源经过蒸发器，供回水温度为14℃/7℃，空调系统水经水源热泵冷凝器加热，供回水温度为42℃/52℃，单台机组空调水流量为76m3/h，所需井水流量为154m3/h。夏季制冷时，15℃井水经板式换热器，温度升为25℃，板式换热器二次水经水源热泵冷凝器，供回水温度为20℃/30℃，空调系统水经水源热泵蒸发器冷却，供回水温度为7℃/14℃，单台机组空调水流量为96m3/h，所需井水流量为246m3/h。
4.2热水加热系统流程
本工程热水加热系统可分为两部分：卫生洗浴热水加热和温泉嬉水池水加热。根据文献[3]，[4]计算得，卫生洗浴热水加热负荷为418kW，温泉嬉
水池水加热负荷为216kW（系统为直流混合系统）。选用GWHP300型高温水源热泵机两台，单机制热量350kW，输入功率100kW，COP值为3.5。与空调水系统相同，热水加热系统也采用板式换热器间接加热。以原有地热井井水作为系统热水源，35℃井水经板式换热器温度降为15℃，所需井水流量为13.8m3/h。板式换热器二次水经水源热泵蒸发器降温，温度由30℃降为10℃，循环加热水经水源热泵冷凝器加热，供回水温度55℃/65℃，循环加热水再通过板式换热器加热冷水产生55℃热水，热水系统设闭式储水罐和温度控制器控制机组运转以减少热泵机组的启停次数，同时保证热水供应稳定。
5系统控制
5.1空调系统冬夏转换
水源热泵系统为保证机组运行稳定，高效，机组设计采用蒸发器、冷凝器的功能相对固定，而不同于普通小型热泵机组采用电磁四通阀使蒸发器、冷凝器的功能相互转换。因此，空调水系统设计时，需设置8个系统转换阀，以实现冬夏转换：冬季制热时，转换阀(1)-(4)打开，（5）-(8)关闭；夏季制冷时，转换阀(1-(4)关闭，（5）-(8)打开。转换阀启闭可手动、电动进行，并与热泵机组连锁，实现自动控制，避免出现因误操作而对机组造成影响。
5.2空调系统调节
空调水源热泵水系统可分为地下水地抽取、回灌单向流系统，板式换热器二次水循环系统和空调室内水循环系统三个环路。其中，地下水抽取、回灌系统设计为变流量系统，流量控制由回灌水管上设温度控制器，根据回灌水温度控制抽水泵变频运行，最大限度地节省地下水用量，减少水泵电力消耗。板式换热器二次水循环和室内空调水循环均设计为定流量系统，设置室外温度传感器和气候补偿控制器，根据室外气候条件和预先输入的运行曲线自动控制机组的运行台数，同时机组自带电脑控制器，根据供回水温度自动调节机组冷热量输出功率。由于室内空调末端设备均设置电动温控阀，为保证空调水系统定流量运行，供回水分集水器之间设电动阀和压差控制器控制。
通过以上各种手段实现了各环路水系统的量调节和质调节，可以实现系统的自动化运行，同时最大限度地节省了能耗，从而降低了系统的运行费用。
5.3热水加热系统调节
热水加热系统井水流量控制同空调部分井水流量控制相同，采用温控变频器变流量运行。水源热泵机组由机组自带控制器控制，根据热水供水温度进行启停和输出功率的调节，热水加热系统控制相对较简单，在此不再赘述。
6系统投资及运行费用分析
本工程机房设备总配电量为850kM,机房总建筑面积320m2.投资预算总额为685万元,其中包括取水及排水系统、热泵机组、板式换热器、循环泵组、自动控制系统、站房土建及室外管道。加上室内末端系统后，单位平米造价约为385元/m2。因水源热泵系统水源温度在较合理的设计范围内，制冷、制热COP值均在3.5以上，故设备运行成本较常规制冷、锅炉系统低。以冬季供暖为例，水源热泵系统与其它常见几种系统形式相比，运行费用较低由表3可以看出。
根据已投入运行的工程实际测算，水源热泵空调系统全年制冷、制热运行总费用在28-35元/m2之间，大大低于常规系统，虽然设备初投资较高，但多余投资3-6年内即可收回，系统长期经济效益好。
7结语
水源热泵系统没有燃烧设备，因而没有火灾、爆炸等消防隐患，且避免了排放烟尘等有害物质；该系统不需要冷却塔设备，避免了冷却塔噪声、飘水、霉菌污染等问题，同时也改善了建筑物的立面造型效果；地温一年四季均基本恒定，使得热泵机组无论在制冷或制热工况下均处于较高效率区，压缩机功耗低，运行费用大幅降低，用电容量也相应减小。因此，水源热泵具有安全、环保、节能等优点，且基本不受气候环境影响，适合大面积推广。值得注意的是，地下水的抽取必须配有回灌措施并应避免回灌水的二次污染，同时应符合当地政府部门的用水规定，避免条件不成熟而盲目上马，不能长期有效发挥作用，造成不必要的投资损失。
参考文献
[1]GBJ19-87，采暖通风与空气调节设计规范[S].2001.
[2]陆耀庆，陈涛，等.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1993.
[3]陈耀宗，姜文源，等.建筑给水排水设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1992.
