第４７卷第１期 ２０１０年２月总第１９２期 港工技术 Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．１ Ｐｏｒｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１０ Ｔｏｔａｌ １９２ 一种适用于港口的节能环保空调系统设计 党琪，陈立志 （秦皇岛港务集团山海关码头有限公司，河北秦皇岛０６６０００】 摘要：地源热泵是一种利用浅层地能的空调系统，具有节能、环保、高效等优点，已逐步得到推广。简要介绍地源热泵的工 作原理，针对港口的实际特点，提出一种适宜港口应用的空调系统设计方案，并分析采用地源热泵空调系统的经济性。 关键词：地源热泵；经济性；节能；环保 中图分类号：Ｕ６５３．９９ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００４—９５９２（２０１０）０１—００１４—０３ Ａ Ｅｎｅｒｇｙ－ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｃｅｔｉｏｎ Ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｉｎ Ｐｏｒｔ Ｄａｎｇ Ｑｉ，Ｃｈｅｎ Ｌｉｚｈｉ （Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｐｏｒｔ Ｇｒｏｕｐ Ｓｈａｎｈｍｇｕａｎ Ｗｈａｒｆ Ｃ Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｈｅｂｅｉ ０６６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｒｏｕｎｄ・－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｉｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｉｒ—－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｅａｒｔｈ ｓｈａｌｌｏｗ ｌａｙｅｒ．Ｉｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔｇｅｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ—ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｅｔｃ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｏｐｕｌａｔｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＧＳＨＰ ｉｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｈａｒｂｏｒ ａｃｔｕａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ， ｉｔ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｐｌａｎ ｏｆ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｔｔｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｂｏｕｔ ＧＳＨＰ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ・・ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｅｎｅｒｇｙ・－ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 在我国能源消耗中。建筑耗能的比例较高。随着 海水是巨大的可再生清洁能源。把海水做为冷 世界能源危机加剧和环境恶化．节能和环保成为建 热源取之不尽。海水源热泵以其节能环保的优势，已 筑空调发展的主题。为满足可持续发展的要求，应 在欧美得到规模化的应用。但目前我国大多数港口 加快环保节能型技术的应用。 仍然采用传统的空调制冷、结合燃煤锅炉或热 地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为 网供热．所以应根据港口的实际位置，应用由多种热 低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑 源相结合的地源热泵空调系统。 物内系统组成的空调系统。系统通过输入少量的高 １空调系统设计参数 品位电能，实现低温位热能与高温位热能之间的相 １．１某港口工程概况 互转移。地能分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季 港区建筑空调总面积为１３ ３８５ ｍ ，其中后辅建区 空调制冷的冷源或同时作为卫生热水机组的热源。 建筑面积９ ９６５ ｍｚ。前辅建区建筑面积３ ４２０ ｍ２。 夏季时，室内的热量经过热泵转移，由换热器释放到 １．２室内设计参数 地下去；冬季时，通过换热器把地能中的热量取出 按舒适性空调的要求。确定室内参数。夏季温度 来，经热泵提高温度后，供给室内采暖Ⅲ。 （２５±２）℃、相对湿度６０％；冬季温度（２０±２）℃、相对 地源热泵的环境效益显著，其所利用的地热资源 湿度４０％。 属于可再生能源，不受地域、资源等；其运行无 １．３空调冷热负荷 需燃烧，没有温室效应气体ＣＯ：和其他大气污染物的 按冷、热负荷指标分别为１０２ Ｗ／ｍ 和９５ Ｗ／ｍ 排放；地源热泵不需要堆放燃料废物的场地，不用远 估算，确定建筑总冷、热负荷分别为１ ３６５ ｋＷ和１ ２７２ 距离输送热量，是真正的环保型空调。 ｋＷ。其中综合楼、宿舍和食堂浴室空调冷、热负荷分 收稿日期：２００９—０３—１０ 修回日期：２ＯＯ９一ｏ９—１２ 作者简介：党琪（１９８４一），男，助理工程师，主要从事港口机械设计和 别为１ ０１６ ｋＷ和９４７ ｋＷ；候工楼和流机库空调冷、 环保产品研究工作 热负荷分别为３４９ ｋＷ和３２５ ｋＷ。 第１期 党琪，等：一种适用于港口的节能环保空调系统设计 ・１５・ 某港口平面布局示意，见图１。 图１港口平面布局 ２各空调方案比较 ２．１ 空调系统方案种类 充分考虑建筑功能、能耗等因素，把整个港区的 建筑分为前、后辅建区，并分别给出３种供暖制冷方 案。两辅建区可能采用的空调系统设计方案包括：水 源（土壤源）热泵、水冷空调加热网和多联 空调。其次，通过对前后辅建区各种方案进行组合， 综合考虑稳定性、经济性和环境效益等因素，最终确 定适用于该港口的空调系统设计方案。 ２．２经济性分析 根据相关工程造价指标，并参考厂家报价，计算 各种方案初投资及运行费用，选择其中４种方案：方 案１，前区采用水源热泵、后区采用水冷空调加 集中供热；方案２，前、后区都采用水冷空凋加集 中供热；方案３，前区采用水源热泵、后区采用多联中 央空调；方案４，前区采用水源热泵、后区采用土壤源 热泵。各方案初期投资和运行费用比较，见表１。 表１ 各方案相关费用比较 万元 以表１可以看出，前、后区都采用辅助电加热、 燃煤锅炉的空调系统。初期投资最低，但年运行 费用最高；采用海水源热泵结合土壤源热泵的空调 系统，虽然初期投资较高，但可节省更多的运行费 用，总体上看更为合理。另外，由于各种热源的参数 随建筑的地理位置、地质条件而异，因此应因地制宜 地选择地源热泵的冷、热源，且系统设计中相关参数 的取值也应有所差别。 ３热泵原理与系统设计 ３．１地源热泵节能原理 在空调工程中最常用的是蒸气压缩循环，蒸气 压缩热泵由压缩机、冷凝器、节流阀及蒸发器组成。 为便于计算，常忽略工质在冷凝器和蒸发器中微小 的压力变化，认为工质的冷却或加热过程都是定压 过程。蒸气压缩式热泵实际循环示意，见图２。 ｈ ｂ）压焓 图２蒸气压缩式热泵实际循环 图２中，１—２’为压缩机的实际压缩过程，吸气 压力Ｐ。等于蒸发压力 ，排气压力尸２，等于冷凝压 力Ｐｃ；２’一３－４表示工质在冷凝器中定压放热过程： ４—５为节流过程，仍认为是等焓过程：５—１表示工质 在蒸发器中定压吸热过程；１－２表示等熵压缩过程。 热泵的热力经济性指标可由其性能系数ＣＯＰ 来表示。ＣＯＰ为其制热量与所耗机械功或热能的比 值。对消耗机械功的蒸汽压缩式热泵．其制热系数 ＣＯＰｈ为制热量０ 与输入功率Ｐ的比值。根据热力 学第一定律，若不计压缩机向环境的散热。则热泵制 热量 等于从低温热源的吸热量ｐ。与输人功率Ｐ 之和。由于ｐ。与Ｐ的比值为制冷系数ＣＤ ，故Ｃ０ ｎ ｎ 可写成ＣＯＰｈ＝ ＝尸＋ ＝１＋ｃｏ 翻。由此可见，热泵 ｒ ｆ 供暖时的制热系数ＣＯＰｈ恒大于１。即热泵的能量输 出大于输入，而消耗煤、石油、天然气以及直接用电 取暖时的热效益小于１，这就是热泵的节能原理。 地源热泵的制冷、制热系数通常为３．５～４．４，通 常其消耗１ ｋＷ的能量，用户可以得到４ ｋＷ左右的 热量或冷量。所以，地源热泵要比电锅炉节省２／３以 上的电能，比燃料锅炉节省约１／２的能量。 ３．２地源热泵的组成及工作原理 地源热泵主要包括：土壤源热泵系统（地埋管地 源热泵系统）、地下水热泵系统和地表水热泵系统【引。 土壤源热泵是利用地下岩土中的热量闭路循环 的地源热泵系统，包括地下换热系统（循环工质、水 泵、水管和阀）、热泵系统和末端系统。该系统通过循 环液在封闭地下埋管中的流动，使系统并切换四通阀 与大地之间传热，可分别实现制冷与制热功能。在冬 季供热过程中，循环液从地下收集热量．经升温后再 ・１６・ 港工技术 第４７卷 通过冷凝器输出来制热；夏季制冷时，系统逆向运行， 即蒸发器从室内带走热量来制冷，再通过系统将热量 送到地下岩土中。 土壤源热泵系统运行基本原理，见图３。 经计算，前方辅建区候工楼的海水采集量为 ８２ ｍ３／ｈ，流机库的海水采集量为９ ｍ３／ｈ。 ３．５环保型新工质 热泵工质是在热泵装置中发生状态变化并进行 能量转换与传递的物质。其发展经历３个阶段：早期 工质，如乙醚、酒精、氨、二氧化硫、四氯化碳和氯甲 烷等，或可燃．或有毒，甚至还有腐蚀性和不稳定性； 氯氟烃（ＣＦＣ）和氢氯氟烃（ＨＣＦＣ），如Ｒ１２、Ｒｌ１、 Ｒｌ１４、Ｒ１１３、Ｒ２２、Ｒ１３、Ｒ１４等，具有热力性能好、无毒、 图３土壤源热泵系统运行基本原理 ３．３海水源热泵的组成及工作原理 海洋中蕴藏着巨大的热资源，由于港口建在海 边，有距离和水深的优势，因此便于利用海水作为热 泵的低温热源。 海水源热泵系统主要包括：海水取泄放系统（由 取水装置、取水泵、水处理设备、水管和阀组成）、热泵 系统（由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、管道和电控 系统等组成）和末端系统。制热时首先用水泵抽出海 水。由安装在海水管进水口的过滤器进行过滤，然后 将海水送人水源侧换热器，并将热量传递给循环工 质，再经热泵机组加热，被加热的循环工质经水泵送 入风机盘管向室内供热凹。制冷过程与制热过程相反。 取海水构筑物和换热泵房布置，见图４。 ｃ ／一尝 俞 ．． 奇皿 ＼ ＼ ：：：：：：：：：：：：：：：：！ ３０ ｍ一ｍｉｌ 过滤隔栅 苎蘩垂塞薹譬羹誊＂ 晷 装 置 圈４取海水构筑物和换热泵房布置 ３．４热源配置 ３．４．１ 土壤源热泵地埋管长度 根据地质条件，各区域打孔深度均为５０ ｍ，采 用单Ｕ型ＰＥ管，间距为５ １ＴＩ，每环路ｌ０个孔，设计 同程环路。综合楼地埋管长度８ ０００ ｍ。总孔数为 １６０个。宿舍楼地埋管长度７ ５００ ｍ．总孔数为１５０ 个。食堂洗浴地埋管长度６ ５００ ｍ，总孔数为１３０个。 ３．４．２ 海水源热泵的取水量 根据不同建筑需采集的冷、热量，算出冷源海 水循环流量和热源海水循环流量．并选择较大的数 值作为热泵系统的海水采集量。 不燃等特点，２０世纪在制冷空调和热泵系统中得到 广泛应用．但ＣＦＣ和ＨＣＦＣ破坏大气臭氧层并导致 温室效应，所以其应用已１３益消减；氢氟烃（ＨＦＣ）和 天然制冷剂，由绿色环保制冷剂取代传统制冷剂［５１。 为切实保护环境，“蒙特利尔议定书”规定发展 中国家于２０１０年禁止生产和消费ＣＦＣ，２０４０年禁 止消费ＨＣＦＣ。“京都议定书”规定２００８－－２０１２年实 现年平均减少温室气体排放５．２％。 寻找替代热泵工质，对保护环境有重要意义。目 前．主要工质的替代物为：Ｒ１３４ａ或Ｒ１５２ａ替代 Ｒ１２，Ｒ１２５替代Ｒ５０２，Ｒ１２３替代Ｒ１１，Ｒ１２４或Ｒ６００ 替代Ｒｌ １４。Ｒ４０７Ｃ或Ｒ４１０Ａ替代Ｒ２２。天然工质如 氨、二氧化碳、丙烷、水等也是很有潜力的替代物，对 此还需进行深人地研究。 ４结论 目前，我国地源热泵工程的应用日渐增多，为进 一步推广地源热泵技术的应用，国家、地方和各行业 已出台相关扶持。 通过以上分析，采用传统空调虽然初期投 资少，但运营成本高；地源热泵在环保、节能、经济性 方面具备优势。我国海洋资源丰富，港口将海水源热 泵应用于港区的供热制冷，有地理位置优势。经综合 考虑空调系统的环境效益与经济效益，采用海水源 热泵结合土壤源热泵的空调系统，具有一定的技术 经济合理性．是适合港口的空调系统设计方案。 参考文献： ｆ１］李高建，胡玉叶，朱秀斌．地源热泵技术的研究与应用现 状［Ｊ］．制冷与空调，２００７，２１（４）：１０５—１０８． ｆ２１ 蒋能照．水源地源水环热泵空调技术及应用［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２００７． ｆ３ １ 徐伟，张时聪．我国地源热泵技术现状及发展趋势［Ｊ］．智 能建筑．２００７（９）：４３—４６． 『４］祁俊山，薛越霞．海水源热泵空调工程应用实例［Ｊ］．工程 建设与设计，２００５（９）：１２—１３． ［５］张旭．热泵技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７．
