作者：大连市建筑设计研究院有限公司 张志刚 叶金华 郝岩峰 谭福君 周祖东 祝 金 王小桥 刘 洋 王宇航 方 熙 王 晶 刘晓鹏 张雅茗

一、工程概况

本工程位于辽宁（营口）产业园基地，中国五矿 ( 营口 ) 产业园一期核心位置，西临滨海大道，北临新城大街，南邻新富大街和荣华路，东邻兴工路。用地面积为 31894m2，容积率为 2.19。总建筑面积为 86931.5m2（其中地上面积为 67151.5m2，地下面积为 19780m2），建筑总高度为 96.75m。地下 2 层， 地上 20 层，建筑性质为综合性酒店、办公建筑。

地下两层为地下车库，局部人防为平战结合， 平时功能为汽车库和设备用房。裙房 3 层，1 层是展示厅、多功能厅、报告厅、接待厅、咖啡厅，2 层是宴会厅、西餐厅、特色酒吧，3 层是大宴会厅、中餐包房，4 层至 12 层为酒店客房，13 至 20 层为五矿（营口）集团办公使用。

二、工程设计特点

2.1 本工程冷热源采用水源热泵，满足本工程过渡季、冬季空调采暖和夏季空调制冷的需求，满足全年生活热水的需求。水源热泵利用可再生能源， 水源热泵可一机多用，节约用电，节约水资源，环保效果显著。

2.2 本工程选择 3 台螺杆式水源热泵机组负责空调采暖和制冷，选择 1 台螺杆式水源热泵机组负责生活热水，将机组分开有如下好处：由于生活热水需巴氏灭菌，一般为 55~60，不能降低。当冬季采暖负荷较低时，可降低供暖水源热泵机组的供水温度，一般可降到 45。机组分开后。可单独降低供暖水源热泵机组的供水温度，也降低了机组的冷凝温度，提高了水源热泵机组的 COP 值，节约能源。

2.3 夏季和过渡季，生活热水用水源热泵机组可在蒸发器侧提供冷冻水进行空调制冷，在冷凝器侧提供生活热水，既实现免费制冷，一机两用，两边收益，COP 值高，节能效果显著。

2.4 本工程通过系统设计，使水源热泵系统满足空调末端四管制的要求。空调水系统采用四管制， 解决了过渡季和冬季裙房内区需要制冷，外区需要供热的问题，也满足了不同地区、不同客人对客房区不同的温度要求。

2.5 根据五矿 ( 营口 ) 提供的水文地质资料表明， 井水中的 CL- 含量 3210.91mg/L， SO2- 含量685.0mg/L，属于中等腐蚀性水质，不适合使用钢筋水泥混凝土井管，更不适合使用碳钢井管。为了防腐， 取水井和回灌井全部采用 PE 塑料井管，其他所有与井水有关的供回水管路，也是全部采用PE塑料管材， 井水和进入水源热泵机组的水源水之间采用钛板板式换热器间接连接，井水不会对水源热泵机组产生腐蚀。通过上述措施，解决了水系统的防腐问题。

2.6 本工程采用了封闭式等量取水还水 ( 小井回灌 ) 技术，采用气水分离除沙器，将井水中的气体和泥沙分离，实行封闭式加压回灌，并以一抽多灌微量注灌方式进行回灌。实行气水分离和封闭式加压回灌的目的，在于让井水从取出到回灌地下过程中不与空气接触，不会发生氧化反应保持水质不变，不会产生氧化物、粘稠物、微生物阻塞回灌井， 不会把氧气带入地下氧化阻塞含水层，不需要回扬洗井也能保证井水长久轻松回灌。一抽多灌微量注灌适合在营口这种地下水位很浅，而且地下含水层渗透系数很 2.7。由于回灌井数量多、分布广，和传统的对井回灌线性贮能相比，能在地下很大范围内吸收贮存能量，解决了水源热泵工程土壤热平衡问题。

三、设计参数及空调冷热负荷

3.1 室外计算参数

室外计算参数参见营口地区气象参数。

3.2 室内设计参数

室内设计参数见表 1

3.3 空调冷热负荷

本项目的空调冷热负荷采用浩辰软件，对空调区的冬季热负荷和夏季逐时冷负荷进行计算，结果见表 2。

给排水专业提供本工程的生活热水最大小时负荷为 870kW。

四、空调冷热源及设备选择

4.1 空调冷热源及设备选择

本工程选择了两个方案，方案一为水源热泵冷热源方案，选择了 3 台高温螺杆式水源热泵机组， 单台制热量 1700kW，单台制冷量 1650kW，选择 1 台高温螺杆式水源热泵机组用于制备生活热水。方案二为市政热力 + 电制冷机冷热源方案，冬季采用集中供热，夏季采用 3 台 400 冷吨螺杆式冷水机组， 选用 1 台 930kW 燃气真空锅炉用于制备生活热水。经计算，水源热泵方案初投资为 1220 万元，年运行费用为 360.5 万元。市政热力 + 电制冷机 + 燃气真空锅炉方案初投资为 984 万元，年运行费用为 486万元。经计算，水源热泵方案投资回收年限为 1.9 年，采用水源热泵方案，每年节省运行费用 125.5 万元。经比较，选择了水源热泵方案。

由于空调供热的负荷较大，按空调供热负荷选择3 台高温螺杆水源热泵机组，单台制热量 1700kW， 单台制冷量 1650kW，3 台供热量 5100kW，满足空调热负荷要求，3 台制冷量 4950kW，满足空调冷负荷要求。供热工况时，热水进出口温度为 50/55， 水源侧进出口温度为 14/6；制冷工况时，冷冻水进出口温度为 12/7，水源侧进出口温度为 18/29。

为满足生活热水要求，选择一台高温螺杆水源热泵机组。冬季使用时，制热量为 870kW，热水进出口温度为 60/55，水源侧进出口温度为 14/6。夏季和过渡季使用时，本机组在冷凝侧产生生活热水的同时，在蒸发侧可产生冷冻水用于制冷，制热量为 870kW，制冷量为 577kW，冷冻水进出口温度为 12/7，热水进出口温度为 60/55。

根据冷热负荷、螺杆水源热泵机组的运行参数和水源水的供回水温差，计算水源水水量，冬季所需的水源水量较大，为 464m3/h。水源热泵计算最大的井水需求量取 480m3/h，水温为 15。

 

4.2 当地的水文地质状况

业主委托辽宁省地质矿产局勘察设计院对工程所在地进行了实地勘查，结果如下：

（1）2008 年 12 月 11 日开始在营口五矿大厦工地实施勘测井钻探工作。勘探结果地貌类型为辽河冲积平原，地面以下 60~180m 之间主要为粉细砂、细砂含水层，其特点是含水介质颗粒细、层数多、总厚度比较大，共有 9 层粉细砂层，地下水位埋深3m 左右，渗透系数 0.5~2.0m，单井小时出水量大于80m3。

（2）2009 年 2 月 10 进行取水试验井施工，钻探揭露 180m 深度以内地层情况与探测井勘探揭露一致。抽水试验小时出水量 120m3/h 时井内动水位降深≥ 200m，小时出水 80m3/h 时井内动水位降深≤ 100m，水温 15.5。抽水试验结束后，对地下水试样进行水质全分析，经国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心测试，主要结果如下：PH 为 6.93， CL- 含量 3210.91mg/L，Fe 含量 0.67 mg/L，SO 2- 含量 685.0mg/L，总硬度 3631.74。

（3）2009 年 5 月 13 日 ~5 月 18 日进行回灌试验井施工，采用流量计计量回灌井回灌量，确认小时回灌量 10m3/h 情况下井口压力≤ 0.05MPa，符合预期设计要求。

 

4.3 水源井的设计

针对营口地区地下 60m 以内都是淤泥，地下 60m 至 180m 都是粉细沙含水层，渗透系数为0.5~2.0m/d，渗透系数很小，加之营口地下水位很浅， 地下水位埋深 3m 左右，采用传统开口打井技术难以实现井水等量回灌。

保证100% 的同层回灌是水源热泵最关键技术， 本工程采用了封闭式等量取水还水（小井回灌）技术，本技术的原理是利用潜水泵取水，气水分离， 加压回灌，一抽多灌的技术。本技术保证井水从取出来到回灌地下过程中不与空气接触，没有氧化反应，杜绝氧化物、微生物、无机物阻塞沙层和回灌井； 本技术在渗透系数较小的细沙层中也能等量回灌。

水源热泵空调系统需水量为 480m3/h，根据需水量设计水源热泵的取水井和回灌井。

设计单井出水量 80m3 取水井 7 口，其中一口备用，总取水量为 480m3/h。取水井之间距离不小于50m，回灌井与取水井距离一般应大于 25m，可以保证取水还水范围内地下水补给平衡、地下土壤温度热平衡，保证取水量和取水温度的稳定。

取水井采用外径 350mm PE 塑料管材现场制作井管，取水井井管设计为地下 90m 以内全部采用光管， 90m 至 170m 之间制作滤水井管，在下管过程中采用热熔焊接机将每节井管热熔焊接成为整体。由于 90m 以上地下水含盐量较高，全部采用黄泥球封井。

每个取水井对应设计 15 个加压回灌小管井，使用 10 个加压回灌井，由于后期施工不太方便，回灌井的回灌能力会有衰减，为了长期使用，预留 5 个回灌小井。每个回灌井回灌能力为 8m3/h，每组回灌井回灌能力为 80m3/h。

回灌井采用外径160mm PE 塑料管材现场制作， 井管地下 40m 以上全部采用光管，采用黄泥球封井， 确保加压回灌过程中不会有水从井管周围冒上来。40m 以下至 170m 深度全部采用滤水管。

五、空调系统形式

5.1 空调风系统

空调风系统形式见表 3。

5.2 空调水系统

空调水系统采用四管制、一次泵系统，闭式循环。空调水系统采用变频补给水泵定压方式。

六、通风、防排烟及空调自控设计

6.1 通风系统

（1） 空调房间均设新、排风系统。

（2） 卫生间、设备用房、车库等均设机械通风系统。

6.2 防排烟系统

（1）地下车库平时送排风系统兼火灾时排烟补风系统，发生火灾时有消费控制系统做切换。

（2）1层大堂中庭设机械排烟系统。

（3）地下和地上不满足自然排烟条件的房间， 均采用机械排烟。

（4）所有的防烟楼梯间及其前室、消防电梯前室、合用前室均设机械加压送风系统。

6.3 空调自控

（1） 本工程的空调自动控制系统采用直接数字控制系统（DDC 系统）。

（2） 水源热泵机组、空调水泵、水源水循环水泵、深井泵及回灌井组电动蝶阀应进行电气连锁起停，其启动顺序为：回灌井组电动蝶阀→水源循环水泵→空调水泵→水源热泵机组，系统停车时顺序与上述相反。

（3） 根据空调负荷来控制水源热泵机组及其对应的水泵的运行台数。

（4） 监测地下水的总抽水流量、压力与温度状态及水源水的总回水压力、温度状态；定期监测水源水的回灌量及其水质。

（5） 风机盘管：每个风机盘管配 1 个温控器， 温控器配温控开关及三档风速开关，回水管设电动二通阀。

（6） 新风机组

新风机组的风机、电动风阀进行电气联锁。电动保温新风阀 → 风机，停止时顺序相反。

新风机组设冬季盘管防冻保护控制。

采用 DDC 温度控制系统，根据新风温度控

制水管比例积分电动调节阀的开启大小。

（7） 空调机组

空调机组的风机、电动风阀进行电气联锁。电动保温新风阀 → 风机，停止时顺序相反。

空调机组设冬季盘管防冻保护措施。

采用 DDC 温度控制系统，根据回风温度控制水管电动调节阀开启大小，根据室外空气焓值控制新、回风电动调节阀开度。

七、心得与体会

2012 年至今，水源热泵空调系统一直运行，运行情况良好，满足空调、采暖和生活热水的需求， 得到业主的好评。

7.1 理论节能情况

经计算，水源热泵方案年运行费用为360.5 万元， 市政热力 + 电制冷机 + 燃气真空锅炉方案年运行费用为 486 万元。采用水源热泵方案，理论上比传统方案每年节省运行费用 26%。

7.2 回灌、水温情况

井水回灌达 100%，且回灌井有 15~20% 的余富量。在运行期间，没有对取水井和回灌井进行回扬清洗。

冬季制热运 行，井水试运行前平均温度15.3，运行后平均温度 14.0，温差 1.3, 井水温度稳定。

7.3 水源热泵实际运行情况

2012 年至 2016 年，运行了 4 年，经现场了解运行记录，夏季制冷、冬季供热和制备生活热水年运行费用比理论计算的要低很多，主要原因为夏季制冷时提高了蒸发温度，降低了冷凝温度，控制了制冷主机的运行时间。冬季随着室外温度的升高， 可适当降低冷凝温度，提高机组的 COP 值，节省运行费用。

夏季制冷时间为 5 月 20 日 ~9 月 20 日，平均日耗电量为 4600 度电，电价为 0.65 元 / 度，制冷费用为 35.88 万元。冬季供热供暖期为五个月，平均日耗电量为 17371.6 度电，电价为 0.65 元 / 度，供热费用为 169.37 万元。生活热水日均用水量 160 吨， 出水温度为 50，日均耗电量 2100 度电，电价为0.65 元 / 度，年均运行费用为 49.83 万元。实际年平均运行费用为 255 万元，比理论计算 360.5 万元少105.5 万元。采用水源热泵方案，实际上比传统方案每年节省运行费用 48%，节能效果显著。