1、北京某學院集中空調水源熱泵系統設計方案1 工程概況北京 XX 學院（新址）、北京市 XX 培訓中心是一座警界現代化的高等學府。工程選址在北京市昌平區，校區占地約 80 公頃，總建筑面積約 18 萬 m2。2001 年 8 月開始方案設計，經市規委批準后，進行施工圖設計。2003 年 9 月新學年學校投入使用。校區平面劃分為四個區域：前區、中區、后區和山地區。前區為教學區，包括行政教研樓、圖書館、教學實驗樓、階梯教室。中區為宿舍區，包括學員宿舍及食堂、警官宿舍及食堂、教師宿舍。后區為場館區，包括警務技能館、體能館、游泳館、大禮堂、標準運動場、干部研修樓。山地區為外研區，包括外研樓、物業樓、下沉式

2、靶場。校區共有 20 余棟建筑，均為多層建筑。行政教研樓 5 層，地下 1 層；禮堂 3 層，地下1 層；其余為 2-4 層建筑。外墻材料為 300 厚加氣混凝土砌塊，傳熱系數為 0.82W/(m2K)。屋面保溫材料為 60 厚的聚苯板或金屬保溫板，傳熱系數為 0.6-0.78W/(m2K)。外窗鋁合金雙玻窗，傳熱系數為 3.5W/(m2K)。2 冷熱源2.1 方案產生建立一所現代化的高等學校，為學生和員工創造良好的教學環境及生活環境，要求全院設置集中空調，冬季供暖夏季供冷。采暖及供應生活熱水是學校的首要問題，比供冷更重要，必須有可靠的供熱方案。對于采用何種能源供冷供熱，必需根據所在地區的外部

3、情況確定。一般常用方案有：城市熱網供熱+電制冷；燃煤鍋爐供熱+電制冷；燃氣鍋爐供熱+電制冷；燃油鍋爐供熱+電制冷；電鍋爐供熱+電制冷。本校新址遠在昌平郊區，南臨十三陵文物古跡，是北京市重點的環保地區。該地區無城市熱網供給，因此，方案不能采用；方案為燃煤鍋爐，不符合環保要求，北京市政府明令禁止采用；燃油價格貴，運行費用高，一般最多只有幾天的油儲量，需設專門的運輸車隊組織運油，非常麻煩，使用不方便，因此不宜采用方案；電能是一種清潔的高品位的能源，我國的電能中 70%是熱電，由燃煤轉化而成，其轉化率只有 30%左右，將高品位的電能轉化為低品位的熱能用于供熱是不經濟的，該校區面積大，冬季采用電鍋爐供熱

4、，顯然是不合理的，方案不應采用。、方案不適用用于本工程。方案為燃氣鍋爐供熱，據知昌平區天然氣管線到校區還有 5-10 公里，近兩年是否接通不能確定。為貫徹北京市政府關于控制大氣污染的要求，甲方委托北京市地質勘探部門對該地區的地質、水文地質條件進行了初步勘探，確認該地區地質、水文地質條件完全可以滿足空調采暖系統的設計要求。甲方要求根據場區資源，在燃氣鍋爐供熱+電制冷和地下水水源熱泵（以下簡稱熱泵）這兩個方案中進行比較選擇。2.2 方案比較方案設計建筑面積為 149700m2（初步設計建筑面積有所調整）,估算采暖熱負荷為 15153KW，空調冷負荷為 16081KW，暫不計入衛生熱水的負荷。各區冷

5、、熱負荷及采暖空調方案見表 1；各區空調采暖設備見表 2；一次投資比較見表 3；運行費比較見表 4。表 1：冷熱負荷及采暖空調方案一覽表建筑分區冷 負 荷(KW)熱負荷 (KW)方案 1：燃氣鍋爐+電制冷（分區或分樓設冷水機組）方案 2：水源熱泵（設 3個集中站房）前區58354927風機盤管+新風機組風機盤管+新風機組中區43223982分體壁掛空調、采暖風機盤管后區55105832全空氣空調機組和風機盤管+新風機組全空氣空調機組和風機盤管+新風機組山地區414412分體壁掛空調、采暖風機盤管合計1608115153表 2:冷熱源主要設備表(可比部分)建方案 1：燃氣鍋爐+電制冷方案 2：水

6、源熱泵筑分區主要設備數量(臺)功率(kW/臺)機房 面積 (m2)主要設備數量(臺)功率(kW/臺)機房 面積 (m2)全院燃氣鍋爐 10T/h625Nm3/h3500熱水泵 240m3/h4(1備)45軟化水裝置1補水泵 25m3/h23除氧裝置1前區離心機組 550RT3357350熱泵機組Q0=482kW(QR=529kW)1982.5(135)380冷卻塔 450m3/h311循環水泵 520m3/h3110冷卻水泵 430m3/h355潛水泵 160m3/h4110冷凍水泵 330m3/h355軟化水裝置1熱交換器 110m2軟化水裝置1補水泵 25m3/h32風機盤管+新風機組30

7、0風機盤管+新風機組300中區分體壁掛空調機1380風機盤管80散熱器后區離心機組 550RT3357350熱泵機組Q0=482kW(QR=529kW)1282.5(135)340冷卻塔 450m3/h311循環水泵 520m3/h290冷卻水泵 430m3/h355潛水泵 160m3/h3110冷凍水泵 330m3/h355軟化水裝置1熱交換器 110m2軟化水裝置1補水泵 25m3/h23風機盤管+新風機組，全空氣空調機組400風機盤管+新風機組，全空氣空調機組400建筑分區方案 1：燃氣鍋爐+電制冷方案 2：水源熱泵主要設備數量(臺)功率(kW/臺)機房 面積 (m2)主要設備數量(臺)

8、功率(kW/臺)機房 面積 (m2)山地區分體壁掛空調機150熱泵機組Q0=281kW(QR=260kW)250.6(89)30散熱器循環水泵 110m3/h215風機盤管6注：括號內數字表示制熱工況表 3一次投資可比部分（萬元）方案 1：燃氣鍋爐+電制冷方案 2：水源熱泵空調通風3140.33787采暖316電器222.9284.5鍋爐755熱力管網210井水管網740打井630天然氣管線800燃氣四源費400鍋爐房土建85合計5929.25441.5表 4: 運行費一覽表運行費 (萬元)單位費 用（元/m2）運行費 (萬元)單 位 費用（元/m2）夏季167.411.215310.2冬季4

9、17.327.9380.125.4運行費用是根據表，計算冬夏季用電（氣）量，方案 1：夏季用電量 5098kW；冬季用氣量 1874Nm3/h，冬季用電量 1055kW。方案 2：夏季用電量 6364kW；冬季用電量 4660kW。運行費用計算條件夏季運行 120 天，每天 10 小時，同時使用系數 0.8，平均開機率 0.6；冬季運行 125 天，每天 24 小時，同時使用系數 0.7，平均開機率 0.5；電費 0.57 元/kW，天然氣 1.8 元/Nm3運行費計算方案 1：夏季 5098x120x10x0.8x0.6x0.57=1,673,775 元 冬季(1874x1.8+1055x0

10、.57)x125x24x0.7x0.5=4,173,278 元方案 2：夏季 4660x120x10x0.8x0.6x0.57=1,529,971 元 冬季 6364x125x24x0.7x0.5x0.57=3,808,854 元2.3 方案分析 方案為常規方案，技術成熟，供熱可靠，但在該工程中：一次投資和年運行費用均略高于方案 2，需在校園內建一座鍋爐房，使總平面難以規劃；近期天然氣外管線問題難以解決，會影響 2003 年 9 月使用。2 方案 2 的特點是：不必建鍋爐房，一套熱泵系統就能冬季供熱、夏季供冷；沒有鍋爐煙囪和冷卻塔等設備，對大氣無熱、濕、塵及化學物質的排放，沒有空氣污染和噪聲污

11、染；節省機房面積；夏季提供衛生熱水時，可進行冷回收，被提取熱量的冷水，可供空調使用。北京市地質勘探部門勘探結論：該地區第四系和古老的震旦地層都含有水，只要精心設計，成井工藝科學，單井能夠達到出水量 150T/h；該地區第四系厚度約 70-80m，含砂礫卵石地層厚度約占 50m，只要所采取的回灌方法和工藝措施妥當，總回灌能力 1000T/h 是可行的；根據北京多年氣候資料及人工開采發展情況基本上能夠保證水源 15 年內單井出水量無變化；只要遵照國家有關規范設計施工，是不會導致環境水文工程地質問題。水源熱泵系統是綠色環保的能源系統，冬季從地下水中提取熱量，夏季向地下水中排放熱量，對地下水的冷卻和加

12、熱是物理作用，地下水溫不會有明顯地變化。設計合理時，從全年的作用期看，地下水基本處于能量平衡狀態，抽取的井水重新回灌到同一水層，含水層的水量均衡狀態不會被破壞1。鑒于以上幾個方面，本工程決定采用水源熱泵系統作為全校的空調及衛生熱水能源供給系統。2.4 水源熱泵系統設計2.4.1 熱泵機組選型初步設計建筑面積做了一些調整，熱泵機組選型計入了衛生熱負荷。前區（教學行政區）和中區（宿舍區）建筑面積 11.6 萬 m2，空調冷負荷 10459kW，熱負荷 9314kW，衛生熱水熱負荷 1500kW，選山東富爾達水源半封閉螺桿水源熱泵 LSBLGR-530 型機組 22 臺，其中 3 臺常年供衛生熱水；

13、后區（場館區）建筑面積 4.9 萬 m2，空調冷負荷 5556kW，熱負荷5834kW，衛生熱水熱負荷 1000kW，選 LSBLGR-530 型機組 14 臺，其中 2 臺常年供衛生熱水。采暖及供應生活熱水是學校的首要問題，熱泵機組按冬季熱負荷選型。熱泵機組不同于普通水冷冷水機組，機組的性能參數對系統設計起著重要的作用，每臺機組實用工況性能見表 5：表 5實用工況制冷（熱）量輸入功 率能效比循環水 溫度循環水 量井水溫 度井水量水阻力（kW）（kW）（）（m3/h）（）（m3/h）（kPa）制冷48275.956.397/1282.915/209655制熱515136.023.7350/45

14、88.615/106555從表 5 中看出，如果井水按 5溫差設計，則夏季井水總量為 96x36=3456m3/h，冬季井水總量為 65x36=2340m3/h，遠遠大于該地區資源可提供的井水抽取和回灌能力。地下水開采量是有限的，回灌技術要求很高。為減少用井水量，在其他工程中的做法是將機組串聯連接。夏季 3 臺機組串聯，井水溫度經 3 臺機組后，從 15升到 30；冬季 2 臺機組串聯，井水依次進入 2 臺機組，井水溫從 15降到 5，這樣總井水量為 1170m3/h。在一些小型冷凍（熱）站中曾用這種方法設計，但在大型冷凍（熱）站中是不可行的。主要原因是：管道及閥門配置太復雜；熱泵機組臺數是根

15、據計算負荷確定的，很難做到夏季 3 臺 1 組，冬季 2 臺 1 組的匹配；串聯后系統阻力增加，每臺機組水阻為 55kPa，3 臺串聯后水阻力達到 165kPa，經計算水泵的輸入功率約增加 20%；第 2 臺和第 3 臺機組由于進水溫度夏季升高（冬季降低），其 COP 值下降。制冷 COP 值平均為 5.52，制熱 COP 值平均為 3.61；機組使用不靈活。因此,不能采用串聯,而全部采用并聯連接。2.4.2 機組并聯工況分析并聯水路，夏季井水由 15升至 30，流經每臺熱泵機組水量為原來的 1/3，即 32m3/h；冬季井水由 15降到 5，每臺水量為原來的 1/2，即 32.5m3/h，總

16、井水量不變，仍為 1170m3/h。每臺井水流量改變，生產廠家將原蒸發器與冷凍水的溫差和冷凝器與熱水的溫差由標準設計的 5變為 3，通過增加冷凝器和蒸發器的換熱面積來實現。在制熱狀態下，井水溫度按 15計算，水量 32.5m3/h，機組的工況為：蒸發溫度為 2，冷凝溫度為 53 ，這時機組的制冷量為 364kW ，電功率為 136kW ，制熱量364+136=500kW 。即中、前區 3 臺機組夏季供生活熱水時，總制冷量（冷回收）為364x3=1092kW；后區 2 臺機組夏季供生活熱水時，總制冷量（冷回收）為 364x2=728kW。在制冷狀態下，井水為冷卻水，井水水量 32m3/h，蒸發溫

17、度為 4，井水由 15升至 30，此時冷凝溫度為 33，制冷量為 478kW，電功率為 89kW。制冷 COP 值為 5.37，夏季機組平均效率有所下降，(.52-5.37)x100/5.52=2.72%。制熱 COP 值平均為 3.68，冬季機組平均效率有所上升，(3.68-3.61)x100/3.61=1.94%。用 31 臺空調用熱泵機組粗略核算全年空調能耗：夏季多消耗能量：75.95x31x0.0272x120x10x0.8x0.6=36888kWh冬季節約能量：136.02x31x0.0194x125x24x0.7x0.5=85892kWh全年節約能量：85892-36888=490

18、04kWh全年節約運行費：48974x0.57=27932 元2.4.3 水系統設計地下井水常年維持 15左右，制冷工況時，井水作為空調熱泵機組冷卻水運行，冷凝器進水溫度 15，出水溫度（也即井水回灌溫度）30。空調冷凍水供水溫度 7，回水溫度 12。由于衛生熱水熱泵機組常年供熱運行，其副產品為冷凍水，夏季時這一部分冷量可回收利用。本設計中每個機房均設冷水循環泵 1 臺，夏季運行，與空調冷水循環泵并聯使用。冬季制熱工況時，井水流經熱泵機組蒸發器側，進水溫度 15，出水溫度（也即井水回灌溫度）5。熱泵機組熱水出水溫度 50，回水溫度 45。水系統原理見圖 1，切換管路的閥門，進行冬夏季工況轉換，

19、夏季運行時打開 1,3,5,7 閥門，關閉 2,4,6,8 閥門；冬季運行時打開 2,4,6,8 閥門，關閉 1,3,5,7 閥門。行政樓熱泵機房設在行政樓地下一層，面積為 380m2。機房內共設有 22 臺熱泵機組，其中 3 臺提供衛生熱水，空調水循環泵 3 臺，流量 1574m3/h；冷水泵 1 臺，流量 250m3/h，夏季使用，并作為冬季備用泵。衛生熱水循環泵 2 臺，1 用 1 備，流量 250m3/h。機組所需井水流量 715m3/h，由 15 井供給，每個井供水量 150m3/h，熱泵機組出水，先到沉砂井 1沉砂，再回灌到 811 和 16 井。由于設有沉砂井和溢流井，所以回灌井

20、與供水井 數量為 1:1。當回灌井不能將井水完全回灌時，溢流到設在沉砂井旁的溢流井，溢流 井僅作為回灌備用井使用。溢流井四周敷設有輻射狀滲水管，井水經滲水管滲入第 四系砂石層。大禮堂熱泵機房設在大禮堂地下一層，面積為 340m2，負責向學校后區提供空調冷熱循環水及衛生熱水系統一次水。機房內共設有熱泵機組 14 臺，其中 2 臺供給衛生熱水系統使用?？照{循環水泵 3 臺，2 用 1 備，流量 996m3/h。冷水泵 1 臺，流量 164m3/h，僅夏季使用。衛生熱水一次水循環泵 2 臺，1 用 1 備，流量 164m3/h。該系統所需井水流量 455m3/h，由 6、7 和 15 井供水。井水在

21、回灌前先到沉砂井 2 沉砂，再回灌到 1214 井。沉砂井旁設有溢流井。2.4.4 井水系統全校共設計兩個水源熱泵系統，總井水量 1170m3/h。共打井 20，其中 8 個供水井，8個回灌井,2 個沉砂井，2 個溢流井。行政樓熱泵系統 5 個供水井，5 個回灌井；大禮堂熱泵系統 3 個供水井，3 個回灌井。為了前后區供水井互為備用，5 號井可以供前區和后區，在管路上設電動閥切換。布井方案是根據北京市地勘院的勘測結果，并結合熱泵機房所在位置，與地質勘察院共同確定?？偲矫婕熬徊贾靡妶D。該地區水源上游為東北方向，8 個供水井沿校區西、南邊界隔布置，西南方向是該區域地下水的下游方向，井的間距 20

22、0-300 米左右。8 個回灌井布置在校區中部較大范圍內，使回水回灌至上游，以保證水源的充足、穩定。供水井口徑 400mm，井深 300 余 m，靜水位為 78m,動水位 97m，每口井設計供水量 150m3/h，本工程采用潛水泵?？紤]到使用多年水位有可能下降，根據地質勘探部門的建議，留有 10m 的余量，動水位按 110m 設計。深井泵的揚程為下列各項之和：動水位+地勢高差+熱泵機組阻力+管網及配件阻力+回水管插入深度，泵的性能為：160m3/hx(150-160m)。由于井水提升高度留有余地和熱泵機組隨負荷變化進行臺數控制，系統水量變化，為了節水節能，潛水泵全部采用變頻水泵。如果地下水供應

23、能力能夠允許的話，可設計將供水井和回灌井運行過程互換2，這樣設計有一定安全性，兩個井互為備用，每口井內都安裝潛水泵，即可以供水又可以回灌，使系統運行可靠。這個方案一般用于 1 個供水井或較少供水井的情況，本工程中設計為大型井群，井水管網復雜，且多個井可互為備用，為使系統簡化，減少投資，因此供水井及回灌井均只設單獨功能。2.4.5 井水管網井水管網采用直埋管道，從取水井到熱泵機組，管道埋深在 1.2-2.5m，這個深度雖然在防凍線以下，但土壤溫度一般只有 5左右，井水溫度只有 15，井水輸送管線長，為減少能量損失，因此，這段管網采取了保溫措施。從熱泵機組到沉砂井這段管網為壓力回水，采用非保溫直埋

24、管道。保證系統為閉式系統，回水管插入沉砂井水面下 8m 深。從沉砂井到各回灌井，采用自流回水，管網坡度為 0.01，坡向回灌井。2.5 自動控制與調節2.5.1 熱泵機組的自動控制每臺熱泵機組設有微電腦控制裝置，空調系統末端裝置采用兩通控制閥，根據空調冷熱水的回水溫度，自動（或手動）控制熱泵機組和循環水泵的運行臺數，并使每臺機組的運行時間均等；熱泵機組與冷熱水泵、深井泵連鎖，開機順序：深井泵-冷熱水泵-熱泵機組，停機順序：深井泵-冷熱水泵-熱泵機組?？紤]到熱泵機組很多，水泵與之不是一一對應，5-6臺熱泵機組對一臺泵，因此，熱泵機組進出口管道上，采用手動蝶閥，由人工進行開關，可以滿足使用要求，節

25、省投資。2.5.2 井群控制控制要求：1 個供水井 150m3/h，可供 5 臺熱泵機組，熱泵機組臺數在 5 臺以下時，任意開 1 臺潛水泵可滿足熱泵機組井水量的要求。潛水泵變頻運行，滿足熱泵機組流量、壓力的要求，最大限度地節水節電；熱泵機組運行臺數增加時，再投入 1 臺潛水泵。采用 1臺泵定流量運行，不足的流量有另 1 臺變頻泵運行不足；潛水泵依上述方式加載；反之，潛水泵臺數逐臺減少?？刂葡到y：潛水泵系統的控制方式類似于自來水恒壓供水系統的控制方式，保證用戶管網供水壓力恒定?？刂葡到y根據設定的管網壓力和壓力傳感器測得的管網實際壓力信號，采用 1 臺調速泵配合 4 臺恒速泵的運行模式，自動恒速泵的啟動臺數和調速泵的轉速，水量變化