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低温地热资源在中央空调中利用
                   ——广州山水庭苑住宅小区中央空调及生活热水系统
1、 引言
1.1  低温地热资源简介
地表浅层地热资源也称低温地热资源或地能，是指地表浅层（深度般不超过400m）的土壤、基岩、地下水或地表水吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集储存了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多，同时还蕴藏着极为丰富的由地球内部岩浆活动所带来的巨大热能。它不受地域、资源等条件的限制，量大面广，无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的低温地热资源，属于真正意义上的清洁环保的可再生能源。
低温地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，既是很好的热泵热源，有是良好的中央空调冷源，既可直接用于冬季供暖和夏季制冷，并供应生活热水，也可与其它形式的中央空调匹配，作到优势互补。
1.2  地源热泵简介
   地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。
　　地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量"取"出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到4KW以上的热量或冷量。
　　与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70-90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10-25℃，其制冷、制热系数可达3.5-4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50-60%。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该荐技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水-水式或水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

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1.3地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：
（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。
（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。
（3）地源有较好的蓄能作用。

1.4地源热泵有以下特点：

（1）属可再生能源利用技术  地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源，作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。
（2）属经济有效的节能技术  地能或地表浅层热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。
（3）环境效益显著 地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。
（4）一机多用，应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调一两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。 此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

2、工程概况
广州山水庭苑住宅小区是广州伟成房地产开发公司开发的一个高级住宅小区，总占地面积约为125000m2，其中有会所、3幢多层住宅楼和3幢高层住宅楼。该项目为建设部科技示范小区，具有环境优美、风格独特、技术含量高、品位一流等特点。该小区设计在山坡上，地形复杂，各楼群高差大，距离远近高差大。该小区原来设计采用日本松下变频VRV户式空调系统配美国的艾殴.斯密斯容积式热水器提供生活热水，且已经安装了一幢楼，由于初投资的巨大（是集中中央空调的两倍），且运行费用很大，且解决不了分体空调对室外环境影响的一些缺点，不适应在公寓型住宅使用。公司毅然决定率先在广东地区使用水源热泵系统解决小区空调问题。该区冬夏季中央空调采用水源热泵系统，全年的生活热水由水源热泵主机提供。此系统部分于2002年12月施工调试完毕，运行良好，经济效益显著。以下对系统加以介绍：

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2.1 水源热泵中央空调系统
2.1.1 系统负荷特点
广州属于典型的夏热冬暖气候区域，夏季炎日时间长，负荷大；冬季供暖时间短，负荷低。该小区的设计供冷、供暖负荷如下：
季节 夏季空调尖峰冷负荷（KW） 冬季供暖尖峰热负荷（KW）
夏季 9726 
冬季  3960
空调与供暖按全年60%满负荷运行考虑。
2.1.2冷却水源及热源
由于小区地处广州白云山脚下，地理位置比较优越，一面临近南湖，一面靠山，小区属高档公寓，没有位置按放冷却塔，根据小区及周边地区的水文和地质资料，小区根据实际情况分别采用地下水和南湖水作为冷却水源，以下对该地区两种冷却水源做介绍：
（1）地下水冷却水源
该小区场地土层主要为冲击土和残积土，冲击土厚度4.0—11.0m，透水性较差，为相对隔水层；残积土厚度为16.2—22.0m，透水性上部较差，下部较好，富水性贫乏。下伏的基岩为强微风化花岗岩，其中强风化花岗岩平均层厚，中风化花岗岩平均层厚4.2m，该层岩性的特点是裂隙发育，含有较丰富的基岩裂隙水，岩体构造初步具有良好的地下储水与渗流条件；微风化花岗岩较完整，透水性差，富水性极贫乏。该层花岗岩生成年代属燕山后期，所含基岩裂隙水按其生成年代环境应属较好水质，且该场地处于山清水秀的风景区，周围无对地下水产生污染的污染源。据水质分析，该区地下水水质为HCO3—NaCa，固型物89.6mg/L，偏硅酸47.95 mg/L（大于25 mg/L为矿泉水），为低矿化度偏硅酸矿泉水，无色、无臭、无味、无悬浮物，对促进人体血液循环及增强消化功能有良好的作用，基本符合<<国家生活饮用水卫生标准>>(GB5749-85)。水温夏季稳定在22℃左右，冬季稳定在18℃左右，因而可以作为良好的冷热水源。
根据抽水试验资料，基岩裂隙水与上部土层孔隙水具有密切的水力联系。地下水埋深2.02～6.80m，受大气降水及侧向径流补给，随着雨季降水或向地下回灌水，则地下水位会相应升高，开采量则可相应增大。处于相同层位或区域的抽水群或回灌群井，彼此存在在较密切的水力联系，有利于抽水与回灌水的控制。
（2）湖水
该住宅小区临近南湖水体。该水体水量较大，夏季最不利情况水面下3米的温度为29℃，冬季按分区地表水温取12.5℃。而且该湖水水质很好，不用处理就可以直接达到冷却水要求，具体水质见下表：
为了提高能源的利用效率，工程设计充分采用水源热泵机组冬季供暖夏季供冷的优点，设计采用南湖水提供夏季冷水机组冷却水，同时提供生活热水；冬季时，利用热泵机组从南湖水取热，提供生活热水及采暖热水。
对于南湖水的回流方式利用高差明渠回流，并配以小区景观设计，以瀑布、喷泉等方式加快冷却。此方案取消传统的冷却塔冷却方案，并配以景观设计，充分体现了环保的一面。

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2.1.3冷热源设备选择
该系统主机选型分地源热泵主机和地源单冷主机两种规格：
1、选用两台山东富尔达公司生产的地源热泵主机（制热量Qr=848kW制冷量QL=613 kW）冬夏季提供生活热水，夏季制冷的同时可以获得生活热水，冷却井水流量要求为140m3/h左右，水源由地下水源提供，具体供水方式为采集地下水—回灌冷却水，在该小区的绿化地带一共开采了10口水井，其中6口采水井，4口回水井，平均每口水井的水量在25m3/h左右，同时设置了一个250m3左右的混凝土蓄水池稳定水流量，即在空调主机工作时，抽取地下水至蓄水池，再用两台潜水泵送至主机提供冷却水，进口水温约在20~22℃，冷却水出口水温设定在30~32℃，冷却水进出口温差增大至10℃左右，可将主机效率提高10～15℃左右。
一台1900型水源热泵主机（制热量Qr=1980Kw制冷量QL=1700kW）和一台1100型水源热泵主机（制热量Qr=1066Kw制冷量QL=863kW）提供，以南湖水作为热源。
2、另选用三台1700型地温单冷机组（制热量Qr=1980kW，制冷量QL=1700 kW）提供夏季冷负荷，以南湖水作为热源。

具体运行控制如下：
夏季工况时，两台850型地源热泵提供生活热水的同时提供1226KW的冷量，其余冷量由一台1900型和一台1100型地源热泵以及三台1700型单冷主机提供，共七台主机运行。
冬季工况时，一台1900型和一台1100型机组供暖，2台850机组提供生活热水，共4台机组运行。

2.1.4冷水机组冬夏切换运行控制
夏季：
提供生活热水的两台机组按热泵工况运行，提供生活热水，同时提供部分空调冷量。当生活热水处于高峰期时，两台机组满负荷运行，从空调回水中取热，保证热水箱水温为50℃；当生活热水处于低谷、热水箱水温高于50℃，机组通过电动三通阀将井水切换至主机冷凝器，，两台主机完全供冷，以热水箱的热量保证生活热水的供应；当热水水箱水位下降到设定位置或水温下降到设定值时，开启再通过电动三通阀将热水一次水系统切换至冷凝器加热生活热水。当过度季节空调冷负荷很低时，空调回水提供热量不足时，提前将生活热水机组切换到湖水热泵工况。其他冷水机组用来提供不足冷量。
冬季：
生活热水机组通过管路切换使湖水通过蒸发器，生活热水水箱循环水经过冷凝器加热。供暖机组通过管路切换使南湖水通过蒸发器，供暖回水通过冷凝器加热。

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2.1.5冷冻水系统
该集中供暖小区各栋建筑距离远近差别大，且高差大。因此，本方案确定供回水8℃温差，比常规5℃温差可减少输送能耗37.5%。并采用二级冷冻泵系统，如果采用常规单级泵系统，则冷冻水泵输送能耗大，部分负荷效率差，且不便于分区进行控制。一级泵与冷水机组对应设置，共设7台（互为备用），二级泵根据工程实际情况划分为会所、A座合用一个系统，B、D座合用一个系统、E、F合用一个系统，G座一个系统共4组冷冻水二级泵系统，每个系统设3台变频泵（互为备用），根据负荷情况进行变频、台数控制，减少部分负荷能耗。
2.1.6空调系统自控
（1） 冷冻水系统中各设设备及附件启停电气连锁，系统启动时，应先开冷却水泵、冷冻水一次泵、冷冻水二级泵、然后再启动冷水机组，系统停止时，上述顺序应相反。
（2） 冷冻水系统主机侧为定流量系统，由定流量冷冻水一次泵实现，末端侧为变流量系统，由冷冻水二级泵实现，变频冷冻水二级泵根据末端最不利环路的压差进行控制；在冷冻水供、回水总管上设流量计，并在二者之间设旁通装置，根据供、回水总管的流量差调节冷水机组运行的台数，当流量差达到一台冷水机组的流量时，自动控制停止相应的冷水机组、冷却水泵、冷冻水一次泵、冷冻水二级泵。
（3） 冷冻水共划分4组二级泵系统，各系统回水支管安装流量平衡阀。
（4） 冷却水泵根据供回水温差变频控制运行台数及数量。
 
 2.2生活热水系统
 考虑到住宅小区内住户数量很大，生活热水的使用有很大的不均匀性，再考虑到广州地区用水的习惯，将生活热水每人每天的用量确定为220L/人.d（45℃），小时变化系数为2.65，小区设计人数为1860人，用水时间为24小时，经计算整个小区生活热水最高日用水量为409.2m3/h，平均时用水量为17.1m3/h，最大时用水量为45.2m3/h，平均时耗热量为746KW，最大时耗热量为1971KW。采用50的板式换热器2台，热水箱为开式，水温设定为50℃，并储存不小于2小时的用水量。

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供热管网热损失按最大耗热量10%计，热水温度为50/40，循环附加流量按最大时用水量的15%计，。由于小区用水的不均匀性，以及几幢住宅的高差不一，小区高程变化ΔH=76.5m,住户最小供水压力为0.1—0.15MPa，最大供水压力为0.35—0.4 Mpa，为了保证任何用户都能得到压力合适的热水，热水供水分三个给水分区：一区、二区为低、中区采用变频供水设备，一区设减压阀减压；第三区为给水高区，采用变频供水设备。恒压供水装置内包括了三台白天主泵、一台夜间小泵、一只定压罐、一套压力传感装置和一只变频器。白天由远传压力表的压力信号控制主泵开启的台数和其中一台主泵的变频，到了夜间由时间控制开关将系统转换为夜间工作模式，即夜间小泵和定压罐联合工作，定压罐上面的压力传感装置检测到压力下降到一定程度的时候控制小泵开启，同时向末端补水并给定压罐保压。
 由于夏季在使用空调的同时能够产生生活热水，为了能够保证热水的正常供应，增加了热水箱的体积，保证水箱内热水温度为50℃，末端住户热水温度能够达到45℃，按照这一供水温度向住户收费。故在系统还设计了一套温度自动调节装置将供水温度控制在45℃左右。
 考虑到小区的管网比较庞大，热水在管道内的温降比较大，为保证用户无论什么时候拧开水龙头都能得到温度合适的热水，系统采用热水双管循环设计，供给末端住户的热水，如果用不完通过回水管循环至机房热水箱，再进行加热，以保证水箱和供水的恒温。
3 结语
随着能源日趋紧张，在不远的将来，地温中央空调系统将在住宅小区里面得到更加广泛的应用。