北京警察学院集中空调水源热泵系统设计

1、北京警察学院集中空调水源热泵系统设计中国有色工程设计研究总院 罗 英 任兆成摘要 结合北京人民警察学院冷源与热源的选择，叙述了水源热泵机组作为集中空调系统和卫生热水系统冷热源的设计。采用水源热泵提取低品位、无污染的地下水能量，实现建筑物的供热与空调。在改变能源结构、有效利用自然资源、节约能源、环境保护等方面，该工程是一个很好地应用实例。关键词 水源热泵 供水井 回灌井 沉砂井 井群控制 1 工程概况北京人民警察学院（新址）、北京市公安局警官培训中心是一座警界现代化的高等学府和全市警员的培训基地。工程选址在北京市昌平区南口镇太平庄西侧，校区占地约80公顷，总建筑面积约18万m2。2001年8月开

2、始方案设计，经市规委批准后，进行施工图设计。2003年9月新学年学校投入使用。校区平面划分为四个区域：前区、中区、后区和山地区。前区为教学区，包括行政教研楼、图书馆、教学实验楼、阶梯教室。中区为宿舍区，包括学员宿舍及食堂、警官宿舍及食堂、教师宿舍。后区为场馆区，包括警务技能馆、体能馆、游泳馆、大礼堂、标准运动场、干部研修楼。山地区为外研区，包括外研楼、物业楼、下沉式靶场。校区共有20余栋建筑，均为多层建筑。行政教研楼5层，地下1层；礼堂3层，地下1层；其余为2-4层建筑。外墙材料为300厚加气混凝土砌块，传热系数为0.82W/( m2K)。屋面保温材料为60厚的聚苯板或金属保温板，传热系数为0

3、.6-0.78W/( m2K)。外窗铝合金双玻窗，传热系数为3.5W/( m2K)。2 冷热源2.1 方案产生建立一所现代化的高等学校，为学生和员工创造良好的教学环境及生活环境，要求全院设置集中空调，冬季供暖夏季供冷。采暖及供应生活热水是学校的首要问题，比供冷更重要，必须有可靠的供热方案。对于采用何种能源供冷供热，必需根据所在地区的外部情况确定。一般常用方案有：城市热网供热+电制冷；燃煤锅炉供热+电制冷；燃气锅炉供热+电制冷；燃油锅炉供热+电制冷；电锅炉供热+电制冷。本校新址远在昌平郊区，南临十三陵文物古迹，是北京市重点的环保地区。该地区无城市热网供给，因此，方案不能采用；方案为燃煤锅炉，不符

4、合环保要求，北京市政府明令禁止采用；燃油价格贵，运行费用高，一般最多只有几天的油储量，需设专门的运输车队组织运油，非常麻烦，使用不方便，因此不宜采用方案；电能是一种清洁的高品位的能源，我国的电能中70%是热电，由燃煤转化而成，其转化率只有30%左右，将高品位的电能转化为低品位的热能用于供热是不经济的，该校区面积大，冬季采用电锅炉供热，显然是不合理的，方案不应采用。、方案不适用用于本工程。方案为燃气锅炉供热，据知昌平区天然气管线到校区还有5-10公里，近两年是否接通不能确定。为贯彻北京市政府关于控制大气污染的要求，甲方委托北京市地质勘探部门对该地区的地质、水文地质条件进行了初步勘探，确认该地区地

5、质、水文地质条件完全可以满足空调采暖系统的设计要求。甲方要求根据场区资源，在燃气锅炉供热+电制冷和地下水水源热泵（以下简称热泵）这两个方案中进行比较选择。2.2 方案比较方案设计建筑面积为149700 m2（初步设计建筑面积有所调整）,估算采暖热负荷为15153KW，空调冷负荷为16081KW，暂不计入卫生热水的负荷。各区冷、热负荷及采暖空调方案见表1；各区空调采暖设备见表2；一次投资比较见表3；运行费比较见表4。表1：冷热负荷及采暖空调方案一览表建筑分区冷负荷(KW)热负荷(KW)方案1：燃气锅炉+电制冷（分区或分楼设冷水机组）方案2：水源热泵（设3个集中站房）前区58354927风机盘管+

6、新风机组风机盘管+新风机组中区43223982分体壁挂空调、采暖风机盘管后区55105832全空气空调机组和风机盘管+新风机组全空气空调机组和风机盘管+新风机组山地区414412分体壁挂空调、采暖风机盘管合计1608115153表2: 冷热源主要设备表(可比部分)建筑分区方案1：燃气锅炉+电制冷方案2：水源热泵主要设备数量(台)功率(kW/台)机房面积(m2)主要设备数量(台)功率(kW/台)机房面积(m2)全院燃气锅炉10T/h625Nm3/h3500 热水泵240m3/h4(1备)45软化水装置1补水泵25m3/h23除氧装置1前区离心机组550RT3357350热泵机组Q0=482kW(

7、QR=529kW)1982.5(135)380冷却塔450m3/h311循环水泵520m3/h3110冷却水泵430m3/h355潜水泵160m3/h4110冷冻水泵330m3/h355软化水装置1热交换器110m2软化水装置1补水泵25m3/h23风机盘管+新风机组300风机盘管+新风机组300中区分体壁挂空调机1380风机盘管80散热器后区离心机组550RT3357350热泵机组Q0=482kW(QR=529kW)1282.5(135)340冷却塔450m3/h311循环水泵520m3/h290冷却水泵430m3/h355潜水泵160m3/h3110冷冻水泵330m3/h355软化水装置1

8、热交换器110m2软化水装置1补水泵25m3/h23风机盘管+新风机组，全空气空调机组400风机盘管+新风机组，全空气空调机组400表2续:建筑分区方案1：燃气锅炉+电制冷方案2：水源热泵主要设备数量(台)功率(kW/台)机房面积(m2)主要设备数量(台)功率(kW/台)机房面积(m2)山地区分体壁挂空调机150热泵机组Q0=281kW(QR=260kW)250.6(89)30散热器循环水泵110m3/h215风机盘管6注：括号内数字表示制热工况表3 一次投资可比部分（万元） 表4: 运行费一览表方案1：燃气锅炉+电制冷方案2：水源热泵空调通风3140.33787采暖316电器222.9284

9、.5锅炉755热力管网210井水管网740打井630天然气管线800燃气四源费400锅炉房土建85合计5929.25441.5方案1：燃气锅炉+电制冷方案2：水源热泵运行费(万元)单位费用（元/ m2）运行费(万元)单位费用（元/ m2）夏季167.411.215310.2冬季417.327.9380.125.4运行费用是根据表，计算冬夏季用电（气）量，方案1：夏季用电量5098kW；冬季用气量1874Nm3/h，冬季用电量1055kW。方案2：夏季用电量6364kW；冬季用电量4660kW。运行费用计算条件夏季运行120天，每天10小时，同时使用系数0.8，平均开机率0.6；冬季运行125天

10、，每天24小时，同时使用系数0.7，平均开机率0.5；电费0.57元/kW，天然气1.8元/Nm3运行费计算 方案1：夏季 5098x120x10x0.8x0.6x0.57=1,673,775元 冬季 (1874x1.8+1055x0.57)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 方案分析方案为常规方案，技术成熟，供热可靠，但在该工程中： 一次投资和年运行费用均略高于方案2， 需在校园内建一座锅炉房，使总平面难以规

11、划； 近期天然气外管线问题难以解决，会影响2003年9月使用。2 方案2的特点是： 不必建锅炉房，一套热泵系统就能冬季供热、夏季供冷； 没有锅炉烟囱和冷却塔等设备，对大气无热、湿、尘及化学物质的排放，没有空气污染和噪声污染； 节省机房面积； 夏季提供卫生热水时，可进行冷回收，被提取热量的冷水，可供空调使用。北京市地质勘探部门勘探结论：该地区第四系和古老的震旦地层都含有水，只要精心设计，成井工艺科学，单井能够达到出水量150T/h；该地区第四系厚度约70-80m，含砂砾卵石地层厚度约占50m，只要所采取的回灌方法和工艺措施妥当，总回灌能力1000T/h是可行的；根据北京多年气候资料及人工开采发展

12、情况基本上能够保证水源15年内单井出水量无变化；只要遵照国家有关规范设计施工，是不会导致环境水文工程地质问题。水源热泵系统是绿色环保的能源系统，冬季从地下水中提取热量，夏季向地下水中排放热量，对地下水的冷却和加热是物理作用，地下水温不会有明显地变化。设计合理时，从全年的作用期看，地下水基本处于能量平衡状态，抽取的井水重新回灌到同一水层，含水层的水量均衡状态不会被破坏1。 鉴于以上几个方面，本工程决定采用水源热泵系统作为全校的空调及卫生热水能源供给系统。2.4 水源热泵系统设计2.4.1 热泵机组选型初步设计建筑面积做了一些调整，热泵机组选型计入了卫生热负荷。前区（教学行政区）和中区（宿舍区）建

13、筑面积11.6万m2，空调冷负荷10459kW，热负荷9314kW，卫生热水热负荷1500 kW，选山东富尔达水源半封闭螺杆水源热泵LSBLGR-530型机组22台，其中3台常年供卫生热水；后区（场馆区）建筑面积4.9万m2，空调冷负荷5556kW，热负荷5834kW，卫生热水热负荷1000 kW，选LSBLGR-530型机组14台，其中2台常年供卫生热水。采暖及供应生活热水是学校的首要问题，热泵机组按冬季热负荷选型。热泵机组不同于普通水冷冷水机组，机组的性能参数对系统设计起着重要的作用，每台机组实用工况性能见表5： 表5实用工况制冷（热）量输入功率能效比循环水温度循环水量井水温度井水量水阻力

14、（kW）（kW）（）（m3/h）（）（m3/h）（kPa）制冷48275.956.397/1282.915/209655制热515136.023.7350/4588.615/106555从表5中看出，如果井水按5温差设计，则夏季井水总量为96x36=3456 m3/h，冬季井水总量为65x36=2340 m3/h，远远大于该地区资源可提供的井水抽取和回灌能力。地下水开采量是有限的，回灌技术要求很高。为减少用井水量，在其他工程中的做法是将机组串联连接。夏季3台机组串联，井水温度经3台机组后，从15升到30；冬季2台机组串联，井水依次进入2台机组，井水温从15降到5，这样总井水量为1170 m3/

15、h。在一些小型冷冻（热）站中曾用这种方法设计，但在大型冷冻（热）站中是不可行的。主要原因是：管道及阀门配置太复杂；热泵机组台数是根据计算负荷确定的，很难做到夏季3台1组，冬季2台1组的匹配；串联后系统阻力增加，每台机组水阻为55 kPa ，3台串联后水阻力达到165 kPa ，经计算水泵的输入功率约增加20%；第2台和第3台机组由于进水温度夏季升高（冬季降低），其COP值下降。制冷COP值平均为5.52，制热COP值平均为3.61；机组使用不灵活。因此,不能采用串联,而全部采用并联连接。2.4.2 机组并联工况分析并联水路，夏季井水由15升至30，流经每台热泵机组水量为原来的1/3，即32 m

16、3/h；冬季井水由15降到5，每台水量为原来的1/2，即32.5 m3/h，总井水量不变，仍为1170 m3/h。每台井水流量改变，生产厂家将原蒸发器与冷冻水的温差和冷凝器与热水的温差由标准设计的5变为3，通过增加冷凝器和蒸发器的换热面积来实现。在制热状态下，井水温度按15计算，水量32.5 m3/h，机组的工况为：蒸发温度为2，冷凝温度为53，这时机组的制冷量为364 kW，电功率为136 kW，制热量364+136=500 kW。即中、前区3台机组夏季供生活热水时，总制冷量（冷回收）为364x3=1092 kW；后区2台机组夏季供生活热水时，总制冷量（冷回收）为364x2=728 kW。在

17、制冷状态下，井水为冷却水，井水水量32 m3/h，蒸发温度为4，井水由15升至30，此时冷凝温度为33，制冷量为478 kW，电功率为89 kW。制冷COP值为5.37，夏季机组平均效率有所下降，(.52-5.37)x100/5.52=2.72%。制热COP值平均为3.68，冬季机组平均效率有所上升，(3.68-3.61)x100/3.61=1.94%。用31台空调用热泵机组粗略核算全年空调能耗：夏季多消耗能量：75.95x31x0.0272x120x10x0.8x0.6=36888kWh冬季节约能量： 136.02x31x0.0194x125x24x0.7x0.5=85892 kWh全年节约

18、能量： 85892-36888=49004kWh全年节约运行费：48974x0.57=27932元2.4.3 水系统设计地下井水常年维持15左右，制冷工况时，井水作为空调热泵机组冷却水运行，冷凝器进水温度15，出水温度（也即井水回灌温度）30。空调冷冻水供水温度7，回水温度12。由于卫生热水热泵机组常年供热运行，其副产品为冷冻水，夏季时这一部分冷量可回收利用。本设计中每个机房均设冷水循环泵1台，夏季运行，与空调冷水循环泵并联使用。冬季制热工况时，井水流经热泵机组蒸发器侧，进水温度15，出水温度（也即井水回灌温度）5。热泵机组热水出水温度50，回水温度45。水系统原理见图1，切换管路的阀门，进行

19、冬夏季工况转换，夏季运行时打开1,3,5,7阀门，关闭2,4,6,8阀门；冬季运行时打开2,4,6,8阀门，关闭1,3,5,7阀门。行政楼热泵机房设在行政楼地下一层，面积为380 m2。机房内共设有22台热泵机组，其中3台提供卫生热水，空调水循环泵3台，流量1574m3/h；冷水泵1台，流量250m3/h，夏季使用，并作为冬季备用泵。卫生热水循环泵2台， 1用1备，流量250m3/h。机组所需井水流量715m3/h，由15井供给，每个井供水量150m3/h，热泵机组出水，先到沉砂井1沉砂，再回灌到811和16井。由于设有沉砂井和溢流井，所以回灌井与供水井数量为1:1。当回灌井不能将井水完全回灌

20、时，溢流到设在沉砂井旁的溢流井，溢流井仅作为回灌备用井使用。溢流井四周敷设有辐射状渗水管，井水经渗水管渗入第四系砂石层。大礼堂热泵机房设在大礼堂地下一层，面积为340 m2，负责向学校后区提供空调冷热循环水及卫生热水系统一次水。机房内共设有热泵机组14台，其中2台供给卫生热水系统使用。空调循环水泵3台，2用1备，流量996m3/h。冷水泵1台，流量164m3/h，仅夏季使用。卫生热水一次水循环泵2台，1用1备，流量164m3/h。该系统所需井水流量455m3/h，由6、7和15井供水。井水在回灌前先到沉砂井2沉砂，再回灌到1214井。沉砂井旁设有溢流井。2.4.4 井水系统全校共设计两个水源热

21、泵系统，总井水量1170m3/h。共打井20，其中8个供水井， 8个回灌井, 2个沉砂井，2个溢流井。行政楼热泵系统5个供水井，5个回灌井；大礼堂热泵系统3个供水井，3个回灌井。为了前后区供水井互为备用，5号井可以供前区和后区，在管路上设电动阀切换。布井方案是根据北京市地勘院的勘测结果，并结合热泵机房所在位置，与地质勘察院共同确定。总平面及井位布置见图。 该地区水源上游为东北方向，8个供水井沿校区西、南边界隔布置，西南方向是该区域地下水的下游方向，井的间距200-300米左右。8个回灌井布置在校区中部较大范围内，使回水回灌至上游，以保证水源的充足、稳定。供水井口径400mm，井深300余m，静

22、水位为78m,动水位97m，每口井设计供水量150m3/h，本工程采用潜水泵。考虑到使用多年水位有可能下降，根据地质勘探部门的建议，留有10m的余量，动水位按110m设计。深井泵的扬程为下列各项之和：动水位+地势高差+热泵机组阻力+管网及配件阻力+回水管插入深度，泵的性能为：160 m3/hx(150-160 m)。由于井水提升高度留有余地和热泵机组随负荷变化进行台数控制，系统水量变化，为了节水节能，潜水泵全部采用变频水泵。如果地下水供应能力能够允许的话，可设计将供水井和回灌井运行过程互换2，这样设计有一定安全性，两个井互为备用，每口井内都安装潜水泵，即可以供水又可以回灌，使系统运行可靠。这个

23、方案一般用于1个供水井或较少供水井的情况，本工程中设计为大型井群，井水管网复杂，且多个井可互为备用，为使系统简化，减少投资，因此供水井及回灌井均只设单独功能。2.4.5 井水管网井水管网采用直埋管道，从取水井到热泵机组，管道埋深在1.2-2.5m，这个深度虽然在防冻线以下，但土壤温度一般只有5左右，井水温度只有15，井水输送管线长，为减少能量损失，因此，这段管网采取了保温措施。从热泵机组到沉砂井这段管网为压力回水，采用非保温直埋管道。保证系统为闭式系统，回水管插入沉砂井水面下8m深。从沉砂井到各回灌井，采用自流回水，管网坡度为0.01，坡向回灌井。2.5 自动控制与调节2.5.1 热泵机组的自

24、动控制每台热泵机组设有微电脑控制装置，空调系统末端装置采用两通控制阀，根据空调冷热水的回水温度，自动（或手动）控制热泵机组和循环水泵的运行台数，并使每台机组的运行时间均等；热泵机组与冷热水泵、深井泵连锁，开机顺序：深井泵-冷热水泵-热泵机组，停机顺序：深井泵-冷热水泵-热泵机组。考虑到热泵机组很多，水泵与之不是一一对应，5-6台热泵机组对一台泵，因此，热泵机组进出口管道上，采用手动蝶阀，由人工进行开关，可以满足使用要求，节省投资。2.5.2 井群控制控制要求：1个供水井150m3/h，可供5台热泵机组，热泵机组台数在5台以下时，任意开1台潜水泵可满足热泵机组井水量的要求。潜水泵变频运行，满足热

25、泵机组流量、压力的要求，最大限度地节水节电；热泵机组运行台数增加时，再投入1台潜水泵。采用1台泵定流量运行，不足的流量有另1台变频泵运行不足；潜水泵依上述方式加载；反之，潜水泵台数逐台减少。 控制系统：潜水泵系统的控制方式类似于自来水恒压供水系统的控制方式，保证用户管网供水压力恒定。控制系统根据设定的管网压力和压力传感器测得的管网实际压力信号，采用1台调速泵配合4台恒速泵的运行模式，自动恒速泵的启动台数和调速泵的转速，水量变化时，保证供水压力，最大限度地节省电能；为了防止水泵长期不运转发生锈蚀，由PLC控制水泵定期作为变频泵运转，即自动倒泵功能；直观的图形显示及寻检功能，以图文方式显示管压力、潜水泵运行状态、每个井的水量及总水量、设备状态及系统工作状态；报警及保护功能：当总水管压力和流量达到报警状态、启动柜故障时，操作屏发出声光报警。检测并记录各台潜水泵的水量及运行状态。2.5.3 空调循环水系统的运行调节在本设计中，空调循环水泵采用定速泵，在空调分集水器之间设压差旁通阀，因此空调循环水系统是典型的定流量水系统。3 工程总结（1）采用热泵机组取代锅炉房和冷冻站，可以减少烟囱