苏州超高层建筑水环热泵空调设计与研究

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　　【摘要】本文以苏州地标性建筑润华环球大厦两幢超高层塔楼的空调系统为例，通过翔实的数据介绍末端热泵的配置和循环冷却水系统的配置，阐明了水环热泵系统的特点，为系统操作运行提供了意见。希望能促进同行间的交流提高和新型空调方式的实践应用。
　　【关键词】高层建筑；水环热泵；循环水系统；变流量
　　
　　1 工程概况
　　苏州润华环球大厦位于苏州工业园区CBD核心区域, 占地面积14896m2，总建筑面积181129.79m2。地上部分包括商业裙房两幢超高层建筑：A塔楼44层，主体结构高度188.5m,建成之后中低区是甲A级写字楼，高区是精品酒店和企业会所；B塔楼49层，主体结构高度175m，建成辉盛阁服务式酒店公寓。整个建筑包括主体结构上的钢结构钻石顶和天线计算在内，最高点282m，是苏州市已建成的第一高楼。其两幢塔楼使用了水环热泵的新型空调系统，此系统在苏州市同类系统中体量最大。
　　2 本工程空调系统的设计难点
　　2.1 本工程外里面造型简洁，外立面为全封闭玻璃幕墙结构，除少数的几个设备层和钻石顶天窗之外没有向外透气的百叶窗或工作阳台，塔楼建筑分为上中下3段，每段的高差在45~65m，超出水环热泵VRV空调室内外机垂直高差50m的功能极限。
　　2.2 建筑内部机电机房比较小，多为核心筒周边的角落地区，不太适合筹划大型设备。
　　2.3 建筑层高受限。A塔楼结构高度3.95m，装饰完成高度还要扣除0.15m的高架地板。B塔楼初期定位为一般精装住宅，结构高度3.2m，梁底标高2.9m,《住宅设计规范》规定卧室、起居室（厅）局部净高低于2.1m的面积不应大于室内使用面积的1/2，空间非常局促。
　　2.4 建筑体量很大但是占地面积不大，没有多余的空间地埋PE管做成地源的系统。虽然靠河，但是河太细、流动性差，水质不太干净，不能直接用于冷却空调机。
　　2.5 市政热源的经济型和可靠性不符合要求，主要体现在三个方面：价位高、初装增容费高；每年有一~二周停止供热的时间；热电公司供热系统已基本满载，处于待扩建状态。
　　2.6 A楼的办公和B楼部分自住型的公寓客户需要空调的独立计量。
　　3 水环热泵空调概述
　　水环热泵（WLHP water loop heat pump）空调系统指用两管制的公共水环路将各个小型的水源热泵( WSHP)末端并联在一起，以排除各个末端冷热负荷的系统。该系统主要包括水/空气源热泵机组、冷却水循环泵、冷却塔、蒸汽锅炉和膨胀水箱。系统中包含冷却塔和蒸汽锅炉的原因在于本项目的塔楼属于细长的建筑，内外区的分布并不是那么明显，公共水环路不能自身平衡整个系统的冷热负荷，其缺失的负荷要由辅助设备来补充。系统原理参见《图1 水环热泵系统原理图》。.
　　
　　水/空气源热泵可分为整体式与分体式两大类。在相同的制冷、制热工况下，整体式水环热泵系统的噪音较高，不适合作为甲A级写字楼与高档公寓的户内末端，但其处理能力较大，机外静压也较大，本建筑将其作为新风工况的风柜，置于楼层空调机房内。
　　4 选用水环热泵的意义
　　4.1 节约投资
　　节省机房面积：A楼办公室的水源热泵外机放在走廊的天花上，无需机房。其余的水源热泵外机虽然需要机房，但是由于水冷机体积紧凑，可以堆叠放置，单个相当于清洁间大小的机房可以放置15台左右的设备。节省电力增容费用：分体式的设备分散于各个房间，甚至一个房间有二~三台空调，由于启动时间各不相同，变压器的配置比大型设备要小。只需完成公共水环路，设备可以分期投资，分步购买，资金压力比较小。
　　4.2 满足建筑造型特点
　　大型的冷却塔放在屋顶，整个塔楼中间没有室外机，不需要向外散热的阳台，仅靠公共水环路就可以在建筑内部传递热量，不会影响建筑造型外观。水源热泵内、外机都可以安装在梁与梁之间的空挡位置，比VAV空调节约建筑层高。
　　4.3 高效可靠
　　水冷工况下COP值可达到4，远远大于户式中央空调的2.3~3.1。冬季采暖不受室外温度影响，而户式风冷多联在外界环境4℃以下时制热困难。机器只会单个发生故障，不像传统空调，冷水机组发生故障时，整个系统会停止运行。而且普通技工经过培训就可以胜任小型水源热泵的维护工作。
　　4.4 分户计量
　　依靠电表读数就可以精确地算出压缩机运转时间、强度，而传统中央空调需通过昂贵的能量计、流量计才能粗略地估算出，计量的方式公平、简单，适合于分户的办公室和酒店式公寓。
　　4.5 部分节能
　　可通过闭式水环路在建筑物内部实现能量搬运，例如将照明、冷库、电梯曳引机、电话程控交换机、UPS电源、卫星电视控制柜（冷却水水管路不得穿越电梯机房、IT机房）等的散热量输送到公寓套房中使用，使平时通过普通系统无法利用的热量回收利用。
　　5 水源热泵机组性能参数
　　
　　如此体量的超高层建两座塔楼，设计采用水源热泵机组3863台，装机总制冷量为24284.3KW，装机总制热量为27165.5KW。因为单独房间的设备容量大于负荷值，装机容量要大于塔楼整体冷热负荷之和。
　　6 系统辅助热源
　　在地下室配建立式蒸汽锅炉，单台蒸发压力1.0Mpa时为4ton/h, 使用中压天然气，耗气量单台315m3/h，两幢塔楼的空调供热3台锅炉可以满足。蒸汽减压至0.4Mpa后通入板换加热循环水。
　　7 循环水系统设计
　　7.1 对于超高层建筑，位于底层的管网往往要承受很大的水压力，当压力过大时会造成管件连接处的泄露和设备的损坏，应通过竖向分区来实现系统在允许的压力下安全运行。本工程每幢塔楼各按高中低分为三个区间，其分区及水泵参数可见下表：
　　 由实际运行分析，有放置条件时，冷却水塔应选大，至少应大于系统装机冷却水总量的70%。
　　7.2 冷却循环水泵扬程的确定
　　经计算A楼低区的水系统阻力如下：
　　7.2.1 塔体闭式盘管水头损失：Hl＝10m
　　7.2.2 每层水环热泵机组水损及水平管阻力：Hm=10.5m
　　7.2.3 干管水损Hf=6m：
　　7.2.4 水泵组件局部水损：Hd=6.1mm
　　H＝Hl+Hm +Hf +Hd =32.6m
　　实际运行分析，冷却水循环泵扬程必须保证大于最不利点阻力5%以上，否则会因末端水环路循环流动慢造成热泵冷凝器超压报警。
　　7.3 管网水力平衡
　　用垂直同程的方式解决高层建筑各层间管网阻力的平衡问题。水平采用异程式，管路较短、系统简单，节省了管材同时也节约了宝贵的吊顶空间。
　　在计算出的各并联环路压力损失大于15%时，依靠具有自控功能的静态平衡阀来平衡阻力。
　　7.4 系统采用变流量
　　机组末端设置电动二通阀、水泵设置变频器。按建筑逐时冷负荷开启水源热泵，相对应的电动二通阀开启或关闭，总回水管的压力改变，自控系统通过改变水泵频率改变水流量来保证回水压力恒定。
　　8 系统运行
　　8.1 分体式水源热泵的工作温度范围
　　以本大厦使用的设备为例，冷却时进水温度范围13~40℃，制热时进水温度范围10~35℃，超过以上限制机组会跳水温报警指示代码。
　　8.2 不同季节运行模式的区别
　　夏季模式：炎热季节，大部分或全部水源热泵处于制冷运行状态，系统常规进水温度30℃，出水温度35℃，热量从室内转移到水环路中，冷却塔运转，锅炉关闭。
　　冬季模式：寒冷季节，大部分或全部水源热泵处于制热运行状态，系统常规进水温度21℃，出水温度16℃，热量从水环路补充到室内，锅炉运转，冷却塔关闭。
　　过渡季节模式：建筑物内同时需要制冷和供热，闭式水环路搬运建筑内部的热量，如果热交换趋向平衡时，冷却塔和锅炉均关闭，系统进出水温度相似，整个空调系统处于最佳节能状态。
　　内区热回收模式：在建筑物的某些区域，由于灯光、人体和设备的散热量能够满足其他区域的采暖符合要求，此时冷却塔和锅炉均关闭，系统进出水温度相似，整个空调系统处于最佳节能状态。
　　8.3 末端机组运行数据的监测
　　
　　按上表的监测数据，在供热季节系统运行正常。
　　9 结束语
　　水环热泵系统是一种新兴的空调模式。它能效比高、运行稳定，投资见效快，适合房地产企业开发公共建筑特别是全封闭高层办公、酒店建筑时使用。应注意设计时循环水系统水压、水量的配套以及运行时系统模式的选择、辅助冷热源的投入时机和变流量系统的控制，以期达到最佳的节能效果。
　　
　　参考文献：
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　　[2]陆耀庆主编 《实用供热空调设计手册》北京 中国建筑工业出版社 1993
　　[3]中国建筑标准设计研究院 06K504《水环热泵空调系统设计与安装》北京 计划出版社2007
　　[4]《水源热泵技术样本》CH1008- 3000-E 深圳麦克维尔空调有限公司
　　[5]姜益强 姚杨 马最良 水环热泵空调若干问题分析《流体机械》2001年第11期
　　[6]王刚 史自强 水环热泵空调系统的应用与优化设计《节能》2005年第3期
　　作者简介
　　王振强（1999年毕业，暖通空调学士，男，苏州润建置业有限公司，机电主管，负责苏州润华环球大厦工程全程的机电、空调技术支持，包括工程规划、设计、施工等方面的技术协调与把关工作。
　　

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