北京海淀区某学院住宅区水源热泵空调系统设计
摘要：介绍了室内风机盘管、水源水系统、机房、空调自控等方面的设计。阐述了系统设计的技术要点,分析了系统的初投资和运行费用。该系统自投入运行以来,效果良好。
1工程概况
本工程为2栋节能型住宅建筑,位于北京市海淀区某学院住宅区内。总建筑面积18744m2,层高2.8m,建筑总高度20.7m,地下1层,地上6层半(6层为复式结构),顶层北半部为露台,小区共有167户。本工程采用水源热泵空调系统,室内采用风机盘管,送回风方式为侧送侧回和侧送上回。2001年3月空调工程开始施工,2001年11月底完工,2001年12月初空调调试运行。
2室内空调设计
2.1空调室内设计参数[1](见表1)
2.2风机盘管选择计算
风机盘管为卧式暗装,易与装修配合,在客厅,安装在局部吊顶内;在卧室,与衣柜相结合安装。考虑到房间同时使用率较低,容易造成空调房间围护结构传热面增加,因此,风机盘管在选择计算时,将常规负荷计算值上浮30%左右。面积较大的房间(尤其是卧室),采用2台小型号的风机盘管以满足房间噪声控制的要求。
2.3分户计量
应建设单位的要求,在每户的入口端均安装有分户冷热计量表,通过检测用户的流量和进出水温,求得用户所消耗的冷热量。在设计时应注意冷热计量表所测流体的温度范围、工作压力及安装间距,冷热计量表安装示意图见图2。设计流量不应小于冷热计量表的标准流量,否则,会降低冷热计量表的测量精度。
3水源水系统
3.1地下水
经有关专业部门实地勘测,建筑所在地区可用地下水为第四系水,第四系以卵砾石层为主,夹黏性土层,出水量较大,水质较好,有利于回灌。
3.2水井
本工程设计了3眼结构完全相同的水井,每眼井既可以作为抽水井,又可以作为回灌井,这样在运行时,可以做到一抽两灌,有利于地下水回灌和延长水井的使用寿命。水井自2001年8月16日开钻,至2001年9月21日完成抽水试验,3眼井具体情况见表2。
3.3潜水泵
本工程在设计过程中,始终以节约地下水为原则,因此,选用了变频潜水泵,即开启不同的主机台数,潜水泵提供不同的水量。潜水泵技术参数如下:流量140m3/h,扬程60m,功率40kW。
4机房设计
住宅建筑设计规范中规定,水泵房不应设在住宅建筑内,所以,机房和水泵房设在2栋建筑之外小区绿化带的下面(地下机房位置见图3)。地下机房面积175m2(含生活热水部分)。
4.1冷热源选择
空调系统的冷热源为2台水源热泵空调机组。单台机组技术参数如下:夏季制冷量583kW,电功率120kW,供回水温度7℃/14℃;冬季制热量667kW,电功率168kW,供回水温度50℃/40℃。
4.2混水泵
井水温度为16℃,而水源热泵空调主机要求夏季最低进水温度为18℃,所以在系统中设置混水泵来解决这个问题。同时,设置混水泵可以减小水源水泵的抽水量。混水泵共计2台,单台流量22.3m3/h,扬程20m,功率2.2kW。
4.3其他主要设备
冷热水循环泵3台(2用1备),流量93.5m3/h,扬程28m,功率11kW;补水泵2台(1用1备),流量6.5m3/h,扬程32m,功率15kW;落地膨胀水箱(PN1000)1台;除砂器1台,额定处理水量160m3/h。
5系统技术要点
5.1季节转换阀门
设有8个季节转换阀门以保证系统夏季供冷、冬季供热,8个季节转换阀门采用手动蝶阀[3]。在系统设计时,为保证主机有较高的换热效率,水源水、冷热水进出主机的流向应和转换前的流向相同。
5.2混水泵吸入点
水源水系统是开式系统,容易发生虹吸现象,为保证机房系统和混水泵吸入点始终有水,在设计时采取了一些必要的措施,即回灌管高出吸入点1m左右。
5.3混水泵混水点
混水点是两股有压力的水流的汇聚点,在混水点设置1个DN400的混水器,来保证混水顺畅、均匀。
5.4井口装置
在井口设计了3根水管:抽水管、回灌管、回扬管(参见图5),水井由回灌井转为抽水井前,应先回扬。回灌管应引至水井的静水位以下,避免回灌时带入大量的空气,影响回灌井的回灌量,空气中的氧气会对地下厌氧微生物带来危害。
6自动控制
6.1为减少水源水量和节省能源,潜水泵为变频水泵(变频控制器根据压力变送器测得的压力,控制变频潜水泵的供水量),并在每台主机水源水侧的进水管上设有电动两通阀。水源热泵空调主机根据检测到的冷热水温度自动启停,当1台主机中的所有压缩机停止工作时,水源侧的电动两通阀关闭,变频潜水泵自动调小供水量;当主机需要开启时,电动两通阀先打开,30s后,变频水泵自动调大供水量。在以上过程中,冷热水侧的电动两通 阀不关闭,以便主机检测冷热循环水水温。
6.2混水泵与水源热泵空调机组一一对应,当主机关闭时,相应的混水泵自动关闭;当主机开启时,相应的混水泵自动开启。
6.3每眼水井中有3个电动两通阀门,当水井轮换或定期回扬时,在机房可以控制阀门的启闭和潜水泵的启停。
6.4为防止井水外溢,每眼水井在距井口2m深处,设有回灌自动检测报警装置,当回灌井回灌不畅、井水水位上升至距井口2m深处时,自动检测报警装置将自动报警。
6.5补水泵和落地膨胀水箱是系统定压、补水装置,根据检测到的系统压力,补水系统自动补水或泄水。
6.6每台水源热泵空调机组的冷热水进水管和水源水进水管上分别设有1个与机组联锁的水流开关。当进水量低于机组要求的最低水量时,机组将自动关闭。
7系统投资及运行费用
7.1系统投资
空调系统总投资约为540万元,其中水井、潜水泵、水源水外网及控制系统约为60万元,机房设备、系统安装及控制系统约为150万元,冷热水外网及室内系统约为330万元。如果系统寿命按15年计,每年2个运行季,则每个运行季每m2投资分摊见表3。
7.2运行费用
本工程自投入运行以来,经过了3个运行期:第一个供暖季,2001年12月初开始供暖,至2002年3月底停止供暖,共计118天;第一个供冷季,2002年5月底开始供冷,至2002年9月中旬停止供冷(含每天24h供生活热水消耗的电量,约占总耗电量的1/4),共计114天;第二个供暖季,2002年10月底开始供暖,至2003年3月底停止供暖(含每天24h供生活热水消耗的电量,约占总耗电量的1/6),共计145天。3个运行季的运行费用见表4。
8空调系统运行评价
8.1在实际运行中,只有1台水源热泵空调机组工作,另1台机组仅在较冷的几天内开启过1台或2台压缩机(每台主机有4台压缩机),对于节能型建筑的冷热负荷、住宅建筑的同时使用率及机组选型仍有待于进一步的研究。
8.2水源热泵空调系统设计时一定要注意系统COP值,系统COP值不宜过低。本系统主机设计COP值如下:COP夏=4.86,COP冬=3.97;系统设计COP值:COP夏=3.8,COP冬=3.32。以上数据说明系统比较节能。
8.3风机盘管在夏季供冷时,室内温度均能达到或低于设计值;在冬季供热时,个别房间温度在某些
时间为18℃左右。经分析,是由于节能型建筑仅对外围护结构作了保温要求,内墙和楼板的保温没有要求,又由于风机盘管的调节比较灵活,所以某一房间在某一时间内可能各围护结构表面均为冷表面,从而消耗大量的热量,夏季居室之间传热相对较少。建议采用分户计量的建筑,应对传热系数较大的楼板作适当的保温处理。
8.4第一个供暖季期间,没有提供生活热水,当时北京电价为0.393元/(kWh);从第一个供冷季开始,北京电价调整为0.44元/(kWh)时。从3个运行季可以看出,夏季的运行费用最低,说明北方住宅以冬季供暖为主,冬季节能应为华北、东北地区主要研究的方向。
9结语
9.1水源热泵空调系统应用于多户住宅建筑时,应以节能、节水为设计原则。因此,在设计时,应综合考虑住宅及空调方案的各种因素,如:住宅每户建筑面积、住户同时使用率、居室同时使用率;潜水泵是否采用变频技术;水源热泵空调机组是否选择数台小型号的机组,避免只有一两台压缩机开启时,还需供应大量的井水等等。 9.2本小区的水源热泵空调系统自投入使用以来,运行效果良好,运行费用大大低于其他方式的空调系统,冬季供暖与燃煤供暖系统的运行费用持平。
9.3水源热泵空调系统不仅运行费用低,还没有燃烧后产生的污染和噪声污染,比较环保,应在有条件的地区大力推广。同时必须保证水源水的回灌,回灌标准必须符合国家相关的规范和规定。
参考文献
1电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.第2版.北京:中国建筑工业出版社,1995
2顾兴蓥.民用建筑暖通空调设计技术措施.北京:中国建筑工业出版社,1996
3甄华斌,范新,徐继军,等.东营市某办公楼水源热泵空调系统冷冻站设计.暖通空调,2001,31(3)
