北京友谊宾馆新建专家楼水源热泵系统设计
(1)中国建筑科学研究院空调研究所；2.北京地质矿产勘查开发公司)
摘要:随着空调技术的发展，水源热泵系统的应用越来越广泛。在现有的大型建筑中，一般采用夏季供冷、冬季供暖，很少在夏季供冷的同时提供生活热水的供暖。友谊宾馆专家楼的水源热泵系统不仅用于夏季空调，还为整个宾馆园区提供生活热水。设计中充分考虑了取热和取冷的平衡。
水源热泵系统以其节能、一机多用的优势，被广泛应用于各种工程的空调系统中。水源热泵系统利用浅层地下水作为夏季空调冷却水源，再向地下回灌；冬季以地下水为最大热源，利用热泵机组输入部分电力为供暖系统供热。目前水源热泵工程基本实现了一个系统冬夏季使用，但夏季使用时，利用井水冷能后直接排入地下。但如果能作为制取生活热水的热量，水源热泵系统的节能性将进一步提高。
1工程概述
北京友谊宾馆是亚洲最大的四星级花园酒店，位于中关村高科技园区的核心中关村大街。新建专家楼位于酒店园区南部，总建筑面积12724m？，包括新建游泳池和网球场，总建筑面积21734m？。根据计算，整个新建工程的空调负荷夏季为2537kW，冬季为3277.4kW。专家楼末端同时采用供暖系统和风机盘管加新风系统，游泳池采用地暖系统。整个机房承担的负荷如下:
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继续的
2系统设计
根据友谊宾馆的要求，系统设计需要满足以下要求:
(1)可满足专家楼及附属建筑冬季供暖、夏季供冷的要求；园区夏季生活热水用量和专家楼全年生活热水用量需求。
(2)专家楼冬季供暖分为两部分:低温水源热泵机组(R22)为风机盘管+新风系统提供热水，高温水源热泵机组(R134a)为供暖系统提供热水；
(3)高温水源热泵机组冬季还为专家楼提供生活热水，过渡季节开启高温机组为专家楼提供热水；
(4)夏季高温机组优先提供生活热水供暖，冷量供给空调系统，剩余冷量由低温机组提供。根据上述原则，设计系统如下(图1):
为了满足不同季节的运行要求，系统需要通过切换阀门和启停不同的泵来实现。在运行期间，分为以下运行条件:
(1)夏季，阀门V1、V3、V5、V7开启，V2、V4、V6、V8、V9、V10关闭。高温机组保证园区生活热水利用热量，多余的冷量进入专家楼空调水循环系统，不足的冷量由低温机组补充。井水只用于为低温机组提供冷却水。专家楼的供暖系统在夏季关闭。
(2)在冬季，阀门V2、V4、V6、V8、V9和V10打开，V1、V3、V5和V7关闭。高温机组和低温机组均采用井水作为热源。低温机组为专家楼及附属楼的风机盘管空调和新风系统供热，高温机组为专家楼的供暖系统供热。
(3)在过渡季节，打开V2和V4，关闭所有其他阀门。高温机组为专家楼提供生活热水，井水也作为热源。
2.1井水系统
井水系统作为系统的主要冷热源，在任何情况下都必须满足制冷和制热的要求。为了保证所有功能的实现，共打了5口井，都是抽水灌溉井，既可以做抽水井，也可以做回灌井。新井1、3为抽油井，新井4为抽油井备用井。原老井3号、4号、5号、6号，新井2号、4号、5号作为回灌井。最大负荷出现在冬季，所需井水最大小时用水量为400m3/h，根据井水原始数据，单井最大出水量为200 m3/h，一般情况下两口井最大出水量为400 m3/h，足以满足冬季负荷。夏季最大小时用水量为312m3/h，设计冬夏温差为7℃。正常情况下，运行方式为两抽两灌。如果超过设计负荷，可以达到两抽三灌或三抽四灌。
图1友谊宾馆新建专家楼热泵系统
2.2单位选择
根据友谊宾馆的冷热负荷，初步选择了清华同方SGHP1800 A低温机组三台，HGHP1200 A高温机组三台。
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实际运行中，夏季高峰负荷时，可启动两台低温机组或两台高温机组+1低温机组。冬季用电高峰时，启动两台高温机组供给供暖系统，两台低温机组供给空调供暖。多余的热泵机组一方面可以作为系统备用，另一方面可以预留给改造工程的空调系统。
3.空调冷热水的匹配
以往的水源热泵系统一般提供单一的冷热源，很少两端同时使用冷热。因此，在夏季不影响空调制冷的前提下，生活热水系统宜采用回热式，这样在生活热水负荷达到高峰时不会影响空调的使用。同时，当生活热水负荷过大时，可以耗散过多的冷能，也需要备用的冷却系统。初步分析，大部分时间生活热水负荷远小于空调负荷。因此，考虑到两个因素，在系统设计中，我们保证高温机组只保证热水的供应，多余的冷量由低温机组提供。但是，当热水负荷高于空调负荷时，没有单独的热泵机组来提供。
设计前，通过对友谊宾馆2005年8月12至8月15生活热水的监测，各小时热水消耗量如下(图2)。
图2友谊宾馆生活热水用量负荷表
从上图可以看出，生活热水最大小时耗热量集中在早上7: 00 ~ 9: 00和下午16: 00 ~ 18: 00之间。最大小时用水量为37m3/h，高峰最长持续时间为2小时。生活热水是一个相对稳定的状态量，空调负荷会随着室外温度的变化而变化，不同时期空调负荷变化很大。而且当空调负荷低于热水负荷时，初步设计中暂不考虑备用情况。因此，需要分析在什么情况下需要备用热水供暖系统。
忽略热损失和无用功，机组的制热量是制冷量和输入功率之和。为了保证机组供热的稳定性，我们直接评估制冷量和制热量的平衡。
新建专家楼每日最大空调负荷与平均热水负荷对比曲线见图2。从图中可以看出，在达到最大负荷的当天，除了夜间22点至凌晨1点之间制热量小于制冷量外，大部分时间生活热水负荷远低于空调负荷，这期间热水消耗量为55m3。该系统采用一个52立方米的蓄热式生活热水箱。即使晚上不开空调机组，白天热水箱储存的生活热水也能满足晚上热水使用的要求。
通过分析不同空调负荷下的匹配情况，发现当空调负荷小于55%时，热泵热水系统不能满足全园生活热水的用热需求。因此，建议在空调负荷不高于55%时，采用原燃气锅炉加热热水系统。
4节能效果分析
使用水源热泵代替普通空调的优点是，无论夏季室外温度如何，井水都维持在65438±05℃左右，冷水机组的效率始终维持在较高水平。水源热泵系统在冬季使用，大部分热量来自地下，输入的电能仅占总热量的25% ~ 30%。
以本项目为例，最大冷负荷为2537kW，最大热负荷为3277kW。不同模式下的空调和供暖费用对比如下:
夏季相同负荷下不同空调形式运行费用的比较
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冬季供暖相同负荷下不同供暖方式的运行费用比较
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从上表可以看出，水源热泵在夏季最大负荷下的小时能耗成本比中央空调低10%左右，比分系统空调低30%以上。冬季采暖费优势更明显，比天然气锅炉低20%。
如果按照一个供暖季(150天)计算，可以得出新建专家楼几种供暖方式的运行费用如下:燃油锅炉，45.23元/m2；燃气锅炉，27.61元/m2；风冷热泵，36.68元/m2；水源热泵，21.09元/m2。
图2最大日冷负荷和生活热水负荷对照表
可见，在友谊宾馆现有的供暖方式中，水源热泵是最节能的，运行费用也是最低的。
夏天水源热泵和其他中央空调差距不大，只是因为井水温度比较恒定，平均制冷效率比普通中央空调高。但是友谊宾馆因为利用冷凝热加热生活热水，在得到空调的同时，免费得到了一部分生活热水。
根据生活热水分析结果，当空调日总负荷达到最大日总负荷的55%以上时，空调余热产生的热水可为全园生活热水提供。夏季空调日总负荷在最大日总负荷的55%以上为60%左右，平均负荷值按75%计算，50℃生活热水量约为35220m3。由于每天的生活热水量基本不变，每个季节有效使用的生活热水量约为3万m3，可节约燃气16.59万m3，节约费用约为315.2万元。目前的运行方式是，空调负荷低时，热泵机组和燃气锅炉同时供热，空调负荷高时，只有热泵机组提供热水。这种运行方式将在现有基础上进一步节能，加快投资回收。
目前专家楼的空调系统没有完全投入使用，无法详细了解空调的运行成本。但根据7月8日至7月20日的记录，整个机房的总用电量考虑为全部用于加热生活热水，每立方米热水的费用为20.23元。如果这样计算，相当于每天投入20.23元/m3的热水，供应的空调冷量是免费获得的。可见友谊宾馆水源热泵系统具有良好的节能前景。
5结论
(1)水源热泵系统由于使用的地下水温度相对恒定，可靠性高，在夏季比常规中央空调具有更高的能效比。
(2)夏季利用热泵冷凝器的热量加热生活热水是可行的。在优先考虑生活热水系统的情况下，热泵热水供应系统只有在空调负荷达到一定要求后才能启动。在低负荷情况下，建议采用其他供暖方式或单独设置一台单热水供应的热泵。
(3)夏季利用高温冷凝热加热生活热水系统，可以减少地下水的利用。与没有生活热水的系统相比，只是增加了换板的投资，能给用户带来巨大的收益。
(4)冬季几种供暖方式中，由于地下水温度恒定，热泵机组可以利用大量低品位热能，减少电能的用量，运行费用在几种供暖方式中最低。因此，在地下资源丰富、回灌条件好的地区，建议优先采用这种供热方式。