作者：大連市建筑設計研究院有限公司 張志剛 葉金華 郝巖峰 譚福君 周祖東 祝 金 王小橋 劉 洋 王宇航 方 熙 王 晶 劉曉鵬 張雅茗
本工程位于遼寧（營口）產(chǎn)業(yè)園基地，中國五礦 ( 營口 ) 產(chǎn)業(yè)園一期核心位置，西臨濱海大道，北臨新城大街，南鄰新富大街和榮華路，東鄰興工路。用地面積為 31894m2，容積率為 2.19?？偨ㄖ娣e為 86931.5m2（其中地上面積為 67151.5m2，地下面積為 19780m2），建筑總高度為 96.75m。地下 2 層， 地上 20 層，建筑性質為綜合性酒店、辦公建筑。
地下兩層為地下車庫，局部人防為平戰(zhàn)結合， 平時功能為汽車庫和設備用房。裙房 3 層，1 層是展示廳、多功能廳、報告廳、接待廳、咖啡廳，2 層是宴會廳、西餐廳、特色酒吧，3 層是大宴會廳、中餐包房，4 層至 12 層為酒店客房，13 至 20 層為五礦（營口）集團辦公使用。
建筑外觀圖夜景
2.1 本工程冷熱源采用水源熱泵，滿足本工程過渡季、冬季空調采暖和夏季空調制冷的需求，滿足全年生活熱水的需求。水源熱泵利用可再生能源， 水源熱泵可一機多用，節(jié)約用電，節(jié)約水資源，環(huán)保效果顯著。
2.2 本工程選擇 3 臺螺桿式水源熱泵機組負責空調采暖和制冷，選擇 1 臺螺桿式水源熱泵機組負責生活熱水，將機組分開有如下好處：由于生活熱水需巴氏滅菌，一般為 55~60℃，不能降低。當冬季采暖負荷較低時，可降低供暖水源熱泵機組的供水溫度，一般可降到 45℃。機組分開后?？蓡为毥档凸┡礋岜脵C組的供水溫度，也降低了機組的冷凝溫度，提高了水源熱泵機組的 COP 值，節(jié)約能源。
2.3 夏季和過渡季，生活熱水用水源熱泵機組可在蒸發(fā)器側提供冷凍水進行空調制冷，在冷凝器側提供生活熱水，既實現(xiàn)免費制冷，一機兩用，兩邊收益，COP 值高，節(jié)能效果顯著。
2.4 本工程通過系統(tǒng)設計，使水源熱泵系統(tǒng)滿足空調末端四管制的要求?？照{水系統(tǒng)采用四管制， 解決了過渡季和冬季裙房內(nèi)區(qū)需要制冷，外區(qū)需要供熱的問題，也滿足了不同地區(qū)、不同客人對客房區(qū)不同的溫度要求。
建筑外觀圖
2.5 根據(jù)五礦 ( 營口 ) 提供的水文地質資料表明， 井水中的 CL- 含量 3210.91mg/L， SO2- 含量685.0mg/L，屬于中等腐蝕性水質，不適合使用鋼筋水泥混凝土井管，更不適合使用碳鋼井管。為了防腐， 取水井和回灌井全部采用 PE 塑料井管，其他所有與井水有關的供回水管路，也是全部采用PE塑料管材， 井水和進入水源熱泵機組的水源水之間采用鈦板板式換熱器間接連接，井水不會對水源熱泵機組產(chǎn)生腐蝕。通過上述措施，解決了水系統(tǒng)的防腐問題。
2.6 本工程采用了封閉式等量取水還水 ( 小井回灌 ) 技術，采用氣水分離除沙器，將井水中的氣體和泥沙分離，實行封閉式加壓回灌，并以一抽多灌微量注灌方式進行回灌。實行氣水分離和封閉式加壓回灌的目的，在于讓井水從取出到回灌地下過程中不與空氣接觸，不會發(fā)生氧化反應保持水質不變，不會產(chǎn)生氧化物、粘稠物、微生物阻塞回灌井， 不會把氧氣帶入地下氧化阻塞含水層，不需要回揚洗井也能保證井水長久輕松回灌。一抽多灌微量注灌適合在營口這種地下水位很淺，而且地下含水層滲透系數(shù)很 2.7。由于回灌井數(shù)量多、分布廣，和傳統(tǒng)的對井回灌線性貯能相比，能在地下很大范圍內(nèi)吸收貯存能量，解決了水源熱泵工程土壤熱平衡問題。
建筑外觀圖2
3.1 室外計算參數(shù)
室外計算參數(shù)參見營口地區(qū)氣象參數(shù)。
3.2 室內(nèi)設計參數(shù)
室內(nèi)設計參數(shù)見表 1
表 1 室內(nèi)設計參數(shù)
3.3 空調冷熱負荷
本項目的空調冷熱負荷采用浩辰軟件，對空調區(qū)的冬季熱負荷和夏季逐時冷負荷進行計算，結果見表 2。
表 2 空調冷熱負荷
給排水專業(yè)提供本工程的生活熱水最大小時負荷為 870kW。
4.1 空調冷熱源及設備選擇
本工程選擇了兩個方案，方案一為水源熱泵冷熱源方案，選擇了 3 臺高溫螺桿式水源熱泵機組， 單臺制熱量 1700kW，單臺制冷量 1650kW，選擇 1 臺高溫螺桿式水源熱泵機組用于制備生活熱水。方案二為市政熱力 + 電制冷機冷熱源方案，冬季采用集中供熱，夏季采用 3 臺 400 冷噸螺桿式冷水機組， 選用 1 臺 930kW 燃氣真空鍋爐用于制備生活熱水。經(jīng)計算，水源熱泵方案初投資為 1220 萬元，年運行費用為 360.5 萬元。市政熱力 + 電制冷機 + 燃氣真空鍋爐方案初投資為 984 萬元，年運行費用為 486萬元。經(jīng)計算，水源熱泵方案投資回收年限為 1.9 年，采用水源熱泵方案，每年節(jié)省運行費用 125.5 萬元。經(jīng)比較，選擇了水源熱泵方案。
圖 2 水源熱泵機房（水源熱泵機組部分）
由于空調供熱的負荷較大，按空調供熱負荷選擇3 臺高溫螺桿水源熱泵機組，單臺制熱量 1700kW， 單臺制冷量 1650kW，3 臺供熱量 5100kW，滿足空調熱負荷要求，3 臺制冷量 4950kW，滿足空調冷負荷要求。供熱工況時，熱水進出口溫度為 50/55℃， 水源側進出口溫度為 14/6℃；制冷工況時，冷凍水進出口溫度為 12/7℃，水源側進出口溫度為 18/29℃。
為滿足生活熱水要求，選擇一臺高溫螺桿水源熱泵機組。冬季使用時，制熱量為 870kW，熱水進出口溫度為 60/55℃，水源側進出口溫度為 14/6℃。夏季和過渡季使用時，本機組在冷凝側產(chǎn)生生活熱水的同時，在蒸發(fā)側可產(chǎn)生冷凍水用于制冷，制熱量為 870kW，制冷量為 577kW，冷凍水進出口溫度為 12/7℃，熱水進出口溫度為 60/55℃。
根據(jù)冷熱負荷、螺桿水源熱泵機組的運行參數(shù)和水源水的供回水溫差，計算水源水水量，冬季所需的水源水量較大，為 464m3/h。水源熱泵計算最大的井水需求量取 480m3/h，水溫為 15℃。
4.2 當?shù)氐乃牡刭|狀況
業(yè)主委托遼寧省地質礦產(chǎn)局勘察設計院對工程所在地進行了實地勘查，結果如下：
（1）2008 年 12 月 11 日開始在營口五礦大廈工地實施勘測井鉆探工作?？碧浇Y果地貌類型為遼河沖積平原，地面以下 60~180m 之間主要為粉細砂、細砂含水層，其特點是含水介質顆粒細、層數(shù)多、總厚度比較大，共有 9 層粉細砂層，地下水位埋深3m 左右，滲透系數(shù) 0.5~2.0m，單井小時出水量大于80m3。
圖 3 水源熱泵機房（換熱部分）
（2）2009 年 2 月 10 進行取水試驗井施工，鉆探揭露 180m 深度以內(nèi)陸層情況與探測井勘探揭露一致。抽水試驗小時出水量 120m3/h 時井內(nèi)動水位降深≥ 200m，小時出水 80m3/h 時井內(nèi)動水位降深≤ 100m，水溫 15.5℃。抽水試驗結束后，對地下水試樣進行水質全分析，經(jīng)國土資源部沈陽礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心測試，主要結果如下：PH 為 6.93， CL- 含量 3210.91mg/L，F(xiàn)e 含量 0.67 mg/L，SO 2- 含量 685.0mg/L，總硬度 3631.74。
（3）2009 年 5 月 13 日 ~5 月 18 日進行回灌試驗井施工，采用流量計計量回灌井回灌量，確認小時回灌量 10m3/h 情況下井口壓力≤ 0.05MPa，符合預期設計要求。
圖 4 水源熱泵機房（水泵部分）
4.3 水源井的設計
針對營口地區(qū)地下 60m 以內(nèi)都是淤泥，地下 60m 至 180m 都是粉細沙含水層，滲透系數(shù)為0.5~2.0m/d，滲透系數(shù)很小，加之營口地下水位很淺， 地下水位埋深 3m 左右，采用傳統(tǒng)開口打井技術難以實現(xiàn)井水等量回灌。
保證100% 的同層回灌是水源熱泵最關鍵技術， 本工程采用了封閉式等量取水還水（小井回灌）技術，本技術的原理是利用潛水泵取水，氣水分離， 加壓回灌，一抽多灌的技術。本技術保證井水從取出來到回灌地下過程中不與空氣接觸，沒有氧化反應，杜絕氧化物、微生物、無機物阻塞沙層和回灌井； 本技術在滲透系數(shù)較小的細沙層中也能等量回灌。
水源熱泵空調系統(tǒng)需水量為 480m3/h，根據(jù)需水量設計水源熱泵的取水井和回灌井。
設計單井出水量 80m3 取水井 7 口，其中一口備用，總取水量為 480m3/h。取水井之間距離不小于50m，回灌井與取水井距離一般應大于 25m，可以保證取水還水范圍內(nèi)陸下水補給平衡、地下土壤溫度熱平衡，保證取水量和取水溫度的穩(wěn)定。
取水井采用外徑 350mm PE 塑料管材現(xiàn)場制作井管，取水井井管設計為地下 90m 以內(nèi)全部采用光管， 90m 至 170m 之間制作濾水井管，在下管過程中采用熱熔焊接機將每節(jié)井管熱熔焊接成為整體。由于 90m 以上地下水含鹽量較高，全部采用黃泥球封井。
每個取水井對應設計 15 個加壓回灌小管井，使用 10 個加壓回灌井，由于后期施工不太方便，回灌井的回灌能力會有衰減，為了長期使用，預留 5 個回灌小井。每個回灌井回灌能力為 8m3/h，每組回灌井回灌能力為 80m3/h。
回灌井采用外徑160mm PE 塑料管材現(xiàn)場制作， 井管地下 40m 以上全部采用光管，采用黃泥球封井， 確保加壓回灌過程中不會有水從井管周圍冒上來。40m 以下至 170m 深度全部采用濾水管。
空調系統(tǒng)形式
5.1 空調風系統(tǒng)
空調風系統(tǒng)形式見表 3。
表 3 空調風系統(tǒng)形式表
5.2 空調水系統(tǒng)
空調水系統(tǒng)采用四管制、一次泵系統(tǒng)，閉式循環(huán)?？照{水系統(tǒng)采用變頻補給水泵定壓方式。
6.1 通風系統(tǒng)
（1） 空調房間均設新、排風系統(tǒng)。
（2） 衛(wèi)生間、設備用房、車庫等均設機械通風系統(tǒng)。
6.2 防排煙系統(tǒng)
（1）地下車庫平時送排風系統(tǒng)兼火災時排煙補風系統(tǒng)，發(fā)生火災時有消費控制系統(tǒng)做切換。
（2）1層大堂中庭設機械排煙系統(tǒng)。
（3）地下和地上不滿足自然排煙條件的房間， 均采用機械排煙。
（4）所有的防煙樓梯間及其前室、消防電梯前室、合用前室均設機械加壓送風系統(tǒng)。
6.3 空調自控
（1） 本工程的空調自動控制系統(tǒng)采用直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC 系統(tǒng)）。
（2） 水源熱泵機組、空調水泵、水源水循環(huán)水泵、深井泵及回灌井組電動蝶閥應進行電氣連鎖起停，其啟動順序為：回灌井組電動蝶閥→水源循環(huán)水泵→空調水泵→水源熱泵機組，系統(tǒng)停車時順序與上述相反。
（3） 根據(jù)空調負荷來控制水源熱泵機組及其對應的水泵的運行臺數(shù)。
（4） 監(jiān)測地下水的總抽水流量、壓力與溫度狀態(tài)及水源水的總回水壓力、溫度狀態(tài)；定期監(jiān)測水源水的回灌量及其水質。
（5） 風機盤管：每個風機盤管配 1 個溫控器， 溫控器配溫控開關及三檔風速開關，回水管設電動二通閥。
（6） 新風機組
① 新風機組的風機、電動風閥進行電氣聯(lián)鎖。電動保溫新風閥 → 風機，停止時順序相反。
② 新風機組設冬季盤管防凍保護控制。
③ 采用 DDC 溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)新風溫度控
制水管比例積分電動調節(jié)閥的開啟大小。
（7） 空調機組
① 空調機組的風機、電動風閥進行電氣聯(lián)鎖。電動保溫新風閥 → 風機，停止時順序相反。
② 空調機組設冬季盤管防凍保護措施。
③ 采用 DDC 溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)回風溫度控制水管電動調節(jié)閥開啟大小，根據(jù)室外空氣焓值控制新、回風電動調節(jié)閥開度。
圖 5 建筑實際照片
2012 年至今，水源熱泵空調系統(tǒng)一直運行，運行情況良好，滿足空調、采暖和生活熱水的需求， 得到業(yè)主的好評。
7.1 理論節(jié)能情況
經(jīng)計算，水源熱泵方案年運行費用為360.5 萬元， 市政熱力 + 電制冷機 + 燃氣真空鍋爐方案年運行費用為 486 萬元。采用水源熱泵方案，理論上比傳統(tǒng)方案每年節(jié)省運行費用 26%。
7.2 回灌、水溫情況
井水回灌達 100%，且回灌井有 15~20% 的余富量。在運行期間，沒有對取水井和回灌井進行回揚清洗。
冬季制熱運 行，井水試運行前平均溫度15.3℃，運行后平均溫度 14.0℃，溫差 1.3℃, 井水溫度穩(wěn)定。
7.3 水源熱泵實際運行情況
2012 年至 2016 年，運行了 4 年，經(jīng)現(xiàn)場了解運行記錄，夏季制冷、冬季供熱和制備生活熱水年運行費用比理論計算的要低很多，主要原因為夏季制冷時提高了蒸發(fā)溫度，降低了冷凝溫度，控制了制冷主機的運行時間。冬季隨著室外溫度的升高， 可適當降低冷凝溫度，提高機組的 COP 值，節(jié)省運行費用。
夏季制冷時間為 5 月 20 日 ~9 月 20 日，平均日耗電量為 4600 度電，電價為 0.65 元 / 度，制冷費用為 35.88 萬元。冬季供熱供暖期為五個月，平均日耗電量為 17371.6 度電，電價為 0.65 元 / 度，供熱費用為 169.37 萬元。生活熱水日均用水量 160 噸， 出水溫度為 50℃，日均耗電量 2100 度電，電價為0.65 元 / 度，年均運行費用為 49.83 萬元。實際年平均運行費用為 255 萬元，比理論計算 360.5 萬元少105.5 萬元。采用水源熱泵方案，實際上比傳統(tǒng)方案每年節(jié)省運行費用 48%，節(jié)能效果顯著。
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