梁海嵘
[摘 要] 针对邕江大学新校区集中空调、供热水系统的冷热源制备方案，因地制宜考虑项目靠近水源的特点，从技术性能应用可行性、全年能耗和经济性等方面比对了水源热泵空调热水系统和常规系统空调、热水系统技术方案，最终确定项目采用水源热泵空调热水系统方案的可行性。通过理论结合实践分析，为可再生能源建筑应用建设提供借鉴作用。
[关键词] 江水源热泵；集中空调；节能；可行性分析
[中图分类号] TU201.5
[文献标识码] B
1 项目概况
邕江大学新校区位于广西南宁市五象新区，玉洞大道北侧，龙岗大道西侧。项目建设内容主要包括教学楼、行政楼、实训楼、图书馆、学术交流中心、会堂、学生宿舍、食堂、体育馆、运动场、医务所、教师周转房、后勤服务楼、培训楼及校园配套等。在校生人数约为15000人。项目总建筑面积约414382.41 ㎡，建筑总占地面积96818.32㎡。其中，校区中部的图书馆、校区南部的学术交流中心、行政楼和会堂共4幢建筑采用集中空调供应，夏季供冷，冬季不供暖。学生宿舍（1#~10#楼）和学术交流中心共11幢建筑采用集中生活热水供应。为选择经济、可行的制冷、供热技术方案，下面笔者结合本工程实际情况，具体对集中空调、热水技术方案进行节能分析和比较。
2采用水源热泵方案的提出
（1）邕江大学新校区冷（热）供应站距离八尺江取水口约为700米，引水可由江底取水点提升至水源机组进水口高度约13米，可估算出江水侧水泵输送扬程不超过36m，水泵的输送能效比≤0.0241，可满足节能设计标准要求。合理经济地采用江水源热泵技术符合国家提倡的可再生能源利用、可持续发展的环保节能路线，也顺应南宁市作为国家可再生能源示范城市的发展脚步，因此考虑采用直接从八尺江取水供应水源热泵机组的方案。
（2）本项目校区有较大面积的水体景观，约48000m2，水体取水来源根据节约型校园导则规定，应该采用除自来水、地下水以外的非传统水源，因此可采用八尺江水作为校区水景的水源补水。拟考虑在学生宿舍2#楼的集中冷热源供应机房的水源热泵空调、热水系统从八尺江取水，在水源侧换热源交换能量后，可排水至景观水体作为补水，溢流水可储存在简易贮水池，用于绿化灌溉、道路冲洗等非饮用用水用途。
3 空调、热水系统技术方案分析
3.1 技术性能比较
地表水地源热泵空调热水系统与常规空调热水系统的技术性能比较，见表3-1。
表3-1地表水地源热泵空调热水系统与常规空调热水系统的技术性能比较
对比项目 | 地表水水源热泵空调、热水系统 | 常规空调、热水系统 |
条件 | 热交换是通过地表水进行的 | 热交换是通过空气进行的 |
冷热源机房基本设备配置 | 水源热泵（带热回收）机组、水泵，可取代常规的制冷机加热水锅炉两套系统。 | 水冷电制冷机组，太阳能集热与空气源热泵机组（制备生活热水）、水泵、冷却塔 |
耗能 | 水源热泵机组能效比高，运行费用是常规空调的30%~70% | 空气源热泵机组能效比较低，耗能较大，在冬季极端温度条件下会由于运行工况恶化导致效率急剧下降，热水需求不能完全满足。 |
功能 | 一机三用，可同时供冷、供暖、供热水，机组系统配备简单，满足用户对空调和生活热水的需求。 | 水冷机组只能单独供冷，太阳能集热系统与空气源热泵机组联合供热水，机组系统配备较复杂 |
环保 | 夏季不需要冷却塔散热，不影响建筑立面美观。冬季供暖不需要辅助热源（如热水锅炉），不产生污染，温室气体低排放。 | 冷却塔向室外排放热量，增加热岛效应。 |
初投资 | 取水许可需审批，需要增加室外管网和取水构筑物造价，投资较大网投资 | 投资较小 |
水质和输送能耗 | 地表水温度、水位变化较大，水质较差，易产生藻类，需要水处理措施。取水距离不宜过远，应避免输送能耗高不经济状况。要求地表水冬季≥7℃，夏季≤30℃。 | 水质情况稳定，输送能耗较低 |
3.2 水源热泵和常规系统空调、热水系统技术方案分析
（1）空调系统方案比选的统一输入条件确定。集中空调区域是图书馆，为办公类建筑，按照办公建筑的运行时间和部分负荷率特点进行分析。参考《实用供热空调设计手册》（第二版）中对夏热冬暖地区办公建筑冷水机组的部分负荷运行时间分布，按照南宁常规工作生活作息时间和夏长冬短的气候特征，对冷水机组的部分负荷运行时间分布表做简化，合并成冷水机组综合部分负荷率为25%、50%、75%和100%共四个分区段的运行时段分布，如表3-2。
表3-2集中空调系统的部分负荷全年运行时段简化分布
空调部分负荷率 | 25% | 50% | 75% | 100% |
部分负荷运行时间比例 | 25% | 28% | 35% | 12% |
部分负荷运行时间（h） | 284 | 318 | 398 | 136 |
总运行时间1136 h | ||||
（2）生活热水系统方案比选的统一输入条件确定。设计热泵机组每天工作时间为15h，热水温升43℃，冷水计算温度为12℃，热水出水温度55℃，配水点水温不低于50℃。1#~10#学生宿舍每人用热水定额为40L/人.天（冬季）、20L/人.天（夏季），按15000个学生计。
根据南宁市气候条件和学校建筑使用特点，采用空气源热泵机组或水源热泵机组制备生活热水，生活热水的供应对象是学生，可以按学生的作息时间来确定热水机组的全年运行时段。根据校园学生在校学习生活时间，暑假按7、8月计，寒假按2月计，兼顾考虑仍有部分学生在校生活，因此全年按10个月（简单定义为夏季按5~10月共5个月计，冬季按11月~次年4月共5个月计）运行热水机组，每天运行15小时来估算全年生活热水运行能耗。空气源热泵机组的系统能效比近似取3.5，水源热泵制备生活热水机组的系统能效比近似取4.5。
3.3 水源热泵和常规系统空调、热水系统全年能耗比较
3.3.1 水源热泵空调、热水系统方案1全年能耗分析
按运行两台水源热泵机组制备生活热水的方式来确定方案1的全年能耗和运行费用，见表3-3。
表3-3 水源热泵空调系统方案1夏季冷回收的年运行能耗
运行模式 | 满负荷运行总输入功率 | 部分负荷 | 日运行时间 | 年运行 天数 | 运行时间比例 | 实际运 行时间 | 耗电量 | 电价 | 费用 | |
主机功率 KW | 水泵功率 KW | % | h/天 | 天/年 | % | h | kWh | 元/度 | 万元 | |
夏季供冷期（免费提供冷量） | 366.0 | 90.0 | 25% | 8 | 142 | 25% | 284 | 5988 | 0.70 | 0.4 |
50% | 8 | 142 | 28% | 318 | 13414 | 0.70 | 0.9 | |||
75% | 8 | 142 | 35% | 398 | 25152 | 0.70 | 1.8 | |||
100% | 8 | 142 | 12% | 136 | 11498 | 0.70 | 0.8 | |||
合计 | 1136 | 56051.9 | 3.9 | |||||||
全年总计运行耗电量 | 56051.9 | |||||||||
全年总计运行费用 | 3.9 | |||||||||
水源热泵制备生活热水，夏季每天热水量314m3，冬季每天热水量628m3，全年运行10个月（夏季5个月，冬季5个月），电价0.7元/kWh，系统能效比为4.5，水从12℃加热至55℃，温升为43℃。计算制备生活热水年耗电量为：
314×43×1.16×30×5/4.5+628×43×1.16×30×5/4.5=156.6万kWh
水源热泵热水系统年运行费用为：156.6×0.7=110万元
综上所述，水源热泵空调、热水系统方案1 的全年能耗和运行费用汇总见表3-4。
表3-4水源热泵空调热水系统方案1全年能耗和运行费用汇总
空调系统全年能耗(万kWh) | 空调系统全年运行费用(万元) | 热水系统全年能耗(万kWh) | 热水系统全年运行费用(万元) | 水源热泵空调、热水系统方案1全年能耗(万kWh) | 水源热泵空调热水系统方案1全年运行费用(万元) |
5.6 | 3.9 | 156.6 | 110 | 162.2 | 113.9 |
3.3.2 常规空调热水系统方案2的全年能耗分析
常规空调系统方案2的全年能耗分析，见表3-5。
表3-5常规空调系统方案2的年运行能耗
运行模式 | 满负荷运行总输入功率 | 部分负荷 | 日运行时间 | 年运行天数 | 运行时间比例 | 实际运行时间 | 耗电量 | 电价 | 费用 | ||
主机功率 KW | 水泵功率 KW | 冷却塔功率 KW | |||||||||
% | h/天 | 天/年 | % | h | kWh | 元/度 | 万元 | ||||
供冷期 | 516.0 | 110 | 11 | 25% | 8 | 142 | 25% | 284 | 41413 | 0.70 | 2.9 |
50% | 8 | 142 | 28% | 318 | 92765 | 0.70 | 6.5 | ||||
75% | 8 | 142 | 35% | 398 | 173935 | 0.70 | 12.2 | ||||
100% | 8 | 142 | 12% | 136 | 79513 | 0.70 | 5.6 | ||||
合计 | 1136 | 387626 | 27.1 | ||||||||
全年总计运行耗电量 | 387626 | ||||||||||
全年总计运行费用 | 27.1 | ||||||||||
太阳能与空气源热泵联供制备生活热水，夏季每天热水量314m3，冬季每天热水量628m3，电价0.7元/kWh。南宁年日照时数约1640小时，因此太阳能热水系统全年运行时段按夏季5个月计，夏季水泵运行总功率为89.5kW，太阳能热水系统能效比估算为15.6。冬季和过渡季阴天按运行空气源热泵系统计，运行时段为5个月，系统能效比3.4。水从12℃加热至55℃，温升为43℃，因此太阳能与空气源热泵联供系统的年耗电为：
314×43×1.16×30×5/15.6+628×43×1.16×30×5/3.4=153.3万kWh
太阳能与空气源热泵联供热水系统年运行费用为：88.4×0.7=107万元
综上所述，常规空调、热水系统方案2 的全年能耗和运行费用汇总见表3-6。
表3-6常规空调热水系统方案1全年能耗和运行费用汇总
空调系统全年能耗(万kWh) | 空调系统全年运行费用(万元) | 热水系统全年能耗(万kWh) | 热水系统全年运行费用(万元) | 常规空调热水系统方案2全年能耗(万kWh) | 常规空调热水系统方案2全年运行费用(万元) |
38.8 | 27.1 | 153.3 | 107 | 192.1 | 134.1 |
3.3.3 方案1和方案2的运行能耗比较
供应图书馆和学生宿舍的集中空调、热水方案1和方案2的年运行能耗和费用分析结果归纳得出表3-7的对比数据。
表3-7空调、热水系统两个方案年运行能耗和费用比较
类别 | 方案1（水源热泵空调、热水系统） | 方案2（常规空调、热水系统） |
空调系统运行耗电量（万kWh） | 5.6 | 38.8 |
空调系统运行费用（万元） | 3.9 | 27.1 |
生活热水系统运行耗电量（万kWh） | 156.6 | 153.3 |
生活热水系统运行费用（万元） | 110 | 107 |
总计空调、热水系统运行耗电量（万kWh） | 162.2 | 192.1 |
总计空调热水系统运行费用（万元） | 113.9 | 134.1 |
年运行费用差异（万元） | 基准 | 20.2 |
从表4.3-13的数据可知，采用水源热泵空调、热水系统的运行费用较少，是因为学生宿舍需要供应热水量较大，提供免费冷量供应图书馆夏季空调，可以减少夏季制冷能耗，提高系统能源利用效率，综合系统能效比较高，如果仅从运行费用的角度考虑，建议采用方案1的水源热泵空调、热水系统。
3.4 水源热泵和常规系统空调、热水方案经济性分析
对水源热泵空调、热水系统和常规空调、热水系统的冷热源方案1和方案2进行经济性分析计算，初投资和静态回收期比较见表3-8，方案初投资不含空调末端管路部分。
表3-7 两个方案初投资费用和静态回收期比较
类别 | 方案1（水源热泵空调、热水系统） | 方案2（常规空调、热水系统） |
初投资估算（万元） | 1000 | 960 |
年运行费用（万元/a） | 113.9 | 134.1 |
增加投资的静态回收期（年） | 2 | 基准 |
图书馆和学生宿舍采用水源热泵空调、热水系统方案运行费用较低，初投资成本的静态投资回收期约为2年，与常规空调热水系统方案（水冷冷水机组空调系统，太阳能+空气源热泵热水系统）相比，在2年的初投资成本回收后，每年运行费用可节省约20万元。建议采用从八尺江取水的水源热泵空调、热水系统供应图书馆夏季空调和学生宿舍1~10#楼生活热水，该系统经济可行，运行安全可靠，即使在冬季极端低温气候，机组仍能良好运行，提供满足需求的生活热水。
4 结语
因地制宜采用江水源热泵这种绿色、生态、可再生利用的能源系统，高效节能且无任何污染，顺应了国际能源发展大趋势，也顺应了南宁市的能源与环保政策以及资源节约型和环境友好型社会建设的需要。对项目采用集中空调、热水技术方案做比较，对技术应用的可行性、节能性和经济性进行分析后，可知项目采用江水源热泵空调热水系统是可行的。
【参考文献】
[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）.中国建筑工业出版社，2008.
[2]公共建筑节能. 中国建筑工业出版社，2007.
[3] 全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力（2009年版）. 中国计划出版社，2009.
【作者简介】
梁海嵘，硕士，教授级高级工程师，华蓝设计（集团）有限公司绿色建筑技术中心副主任。
