北京用友软件园空调系统设计方案

摘 要：结合北京用友软件园的空调系统介绍土壤源热泵技术、冰蓄冷技术、复合式系统、水泵变频技术及热泵制备生活热水系统在大型建筑群的合理应用方案。

关键词：能源、热泵、冰蓄冷、土壤换热器、调峰

1、概述

近年来由于国家能源的紧缺、环保要求的提高，对建筑物的采暖空调方式提出了新的要求，是否节能、环保已经成为衡量一个空调系统是否为最佳系统的最重要的依据。但是，如果一味地追求节能和环保，势必会带来系统的直接投资巨大。所以，设计一个空调系统应该同时兼顾以上的各种因数，使系统既节能、环保，又使整个系统的初投资和后期运行费用为最合理。下面就北京市用友软件园的空调系统做一简单介绍，与大家共勉。

2、工程概况

用友软件园位于中关村永丰产业基地西南端，东临永丰路，南面是永丰南环路，西靠西滨河路，北与北清路接壤。整个软件园占地面积45.52公顷，总建筑面积约40万平方米，分两期建设，一期主要有：1＃研发中心5.5万平方米（其中预留1万平方米）、2＃研发中心7.0万平方米（其中预留1万平方米）、5＃研发中心4.5万平方米（其中预留0.5万平方米）、制餐中心5000平方米、交流中心1000平方米、员工食堂2000平方米、展示中心5000平方米和北侧试验楼2000平方米，一期总建筑面积18.4万平方米，总采暖空调面积近16万平方米。

3、冷、热负荷和生活热水负荷

4、系统设计

用友软件园的建设目标为国际一流的生态环保软件园，建筑物的冷、暖空调系统是园区的重要设施之一，也是影响园区生态环境的重要因素。所以清洁、低耗能源是软件园规划的要求。在空调系统的设计过程中，经过与业主和相关专业专家的多次讨论与研究，最终形成了一套既节能、环保，又安全、可靠，同时系统初投资和后期运行费用为最合理的综合性能源利用系统方案。

4.1、热泵技术的应用

热泵如按其所用热媒的种类和热传递途径来分，主要可以分为四类：

1、空气－空气热泵机组，市场上大量的家用冷暖二用型窗机或分体机便

是这一类。

2、空气－水热泵机组，现在的风冷式冷热水机组（风冷热泵机组）就属

这一类。

3、水－空气热泵机组，现在所谓的水环热泵机组就属于这一类。

4、水－水热泵机组，它可以充分利用未利用能，未利用能指的是还没有

利用的能，大致包括自然类（如地热、温泉、河水、海水、湖水及地下水等）和城市基础设施类（如工场、发电厂、矿井、工业废弃物及公共浴室等等）。

水－水热泵机组根据对水源的利用方式的不同，可以分为开式系统和闭式系统两种。开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统；闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热器，该组器一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与土壤或海水换热来实现能量转移。即通常说的水源热泵和地源热泵。

水源热泵系统对水的利用形式目前较为普遍地采用抽、灌井系统方式，地下土壤中的方式，如下图所示：

水源热泵系统示意图 地源热泵系统示意图

存在大量的室外机安装的难度，对建筑物的整体美观造成极其不利的影

响，另外，空气－空气热泵机组冬季运行的效率很低，水－空气热泵系统夏季采用冷却塔降温受室外温度影响比较大，冬季采用锅炉等辅助热源的热量比较大。所以，象本工程这样的大型公共建筑群不便采用这两种热泵形式。

空气－水热泵机组（风冷热泵机组）较以上两种热泵形式在影响建筑和系统复杂程度上都具有很大的优势，但是空气－水热泵机组同样存在冬季运行效率低，在北方多数地区甚至存在无法开启的情况，需要配置辅助加热才可以正常运行，这样对能源的利用存在极大的浪费。所以这种热泵形式也不便采用。

水－水热

第四系松散层在用友软件园地区山前及平原地区广泛分布，由山区至平原地层层次由单一到多层，在山麓地带为块石含粘土层，山前倾斜冲洪积带为粘性土层夹薄砂层，厚度由十几米增至200米。主要岩性为粘土、砂质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂。由于远离 河流加之受山前影响，第四系地层总的特征是层数多、单层厚度薄、颗粒细、分选性差。 第四系松散含水层在本区也广泛分布，呈分布具有明显的垂直分带性，该区的含水层主要分布在55m、85m、100m、133m、155m、170m等深度，其静水位约为20米深。区内中细砂以上含水层有4-13层，单层厚度1-6米，累计厚度10-33米。单井出水量约为36-40m3/h，水位降深10-25m。 在该种水会显著增强土壤换热器的换热效果。但由于地层颗粒细，如果采用水源热泵系统，必然会造成回灌的困难，所以不适合实施存在抽取和回灌地下水的水源热泵系统，而更加适合实施埋置土壤换热器的地源热泵系统。 地源热泵系统的土壤换热器埋置方式多种多样。

目前普遍采用的有水平埋管和直埋管两种基本的配置形式。

蓄冷技术的优点众所周知，主要为了平衡电网的昼夜峰谷差，在夜间电力

低谷时段向蓄冷设备储蓄冷量，/热设备的电力消耗，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。另一方面，用户也通过使用峰谷电而得到了运行费用的节省，可谓一举多得。

水平埋管 垂直埋管

其中蓄冷的形式主要有冰蓄冷（潜热式）和水蓄冷（显热式）两种方式。水蓄冷利用的温差小，单位体积蓄冷量低，蓄冷水池体积大，与冰蓄冷相比，一立方米冰的蓄冷能力相当于同体积水的17倍左右，即在相同蓄冷量的情况下，水蓄冷所需蓄冷槽的体积是冰的17倍左右，其占地面积不容忽视。

目前常用的蓄冰设备主要有冰球和内融冰式冰盘管两种，蓄冰球的瞬时取冷量较蓄冰盘管大，为了更加明显地降低系统的运行费用，系统的蓄冰量要尽量用在电力晚高峰段，因此个别时段需要蓄冰设备的供冷量大，蓄冰球较蓄冰盘管更容易实现这样的供冷模式，所以，本项目采用冰球作为蓄冰设备，一期蓄冰球的体积为440立方米，总蓄冷量为7040RTH。

4.3、系统负荷“调峰”

空调采暖系统的设备需按照最大冷、热负荷来配置，如果按照最大负荷来配置热泵机组和蓄冷设备，虽然在节能、环保上体现了最大的优势，但是必然会带来整个系统投资巨大的代价。

最大冷、热负荷一般出现在室外气温最高和最低的时段内，室外气温在一年中最高和最低的时间段很短，所以最大冷、热负荷一般在一年中出现的时间也很短。所以在系统配置上没有必要追求全部采用地源热泵及蓄冷技术，而是采用复合式系统，既利用了具有高效节能、环保清洁，安全可靠，稳定运行，便于管理，节省占地空间以及舒适等诸多优点的热泵结合冰蓄冷技术，又利用离心式冷水机组和燃气锅炉来调峰运行，且蓄冷技术也为部分负荷蓄冷而不是全负荷蓄冷。

北京空调室外计算干球温度

主要设备配置表

整个地源热泵系统的造价中土壤换热器的造价占很大的比例，土壤换热器数量的多少会直接影响系统的总体造价。本系统为上述的复合系统，需要配置的土壤换热器数量为630个，如果本系统完全为地源热泵系统，则需要配置土壤换热器约1750个，土壤换热器的造价为负荷系统的近三倍。

这样的复合系统，系统总造价会大大降低，另外离心式冷水机组和冰蓄冷系统提供的，所以，系统的后期运行费用几乎接近地源热泵结合冰蓄冷系统，费用很低。

根据北京市空调室外计算干球温度和建筑物的最大冷、热负荷及建筑物的使用功能，可以推算夏季空调季逐时冷负荷和冬季空调季逐时热负荷，根据配置的设备参数也可以推算各种设备承担的负荷比例，如下图所示：

逐时冷负荷分布图

逐时热负荷分布图

以设计日最大空调冷、热负荷来计算，夏季由离心式冷水机组的调峰比例约55%,冬季由燃气锅炉的调峰比例约40%，以整个夏季空调季和冬季采暖季累计冷、热负荷来计算，夏季由离心式冷水机组的调峰比例约为8%，冬季由燃气锅炉的调峰比例约9%。

夏季空调季总冷负荷分配图

冬季采暖季总热负荷分配图

4.4 变频技术的应用

目前大多数中央空调供水系统的供水量都是手动调节，只要水泵开始运行，无论负荷情况如何，水泵均以最大负荷运行，普遍存在大流量小温差的问题，即“大马拉小车”现象，所以能源浪费现象较严重。解决这类情况的措施一般有多台水泵并联运行和采用变频技术，由于变频器的成本较高，采用变频技术会增加整个系统的投资，所以，一般为多台泵并联运行，一台为变频控制，其余为工频运转，本系统的末端循环泵和生活热水供水泵应用了变频技术，使系统的运行费用尽可能地降低。

4.5生活热水系统

地源热泵机组在夏季供冷时一般由土壤换热器来完成排热，本系统在配置上夏季可以实现由空调系统配置的热泵机组制冷的同时供生活热水系统的热量，即热泵机组此时不向地下土壤排热，而是将这部分热量用来加热生活热水，实现“免费”加热生活卫生热水，此时，虽然损失了热泵机组的供冷效率，但是同时又加热了生活热水，综合能效比还是提高了，热泵机组单制冷时的COP值约为5.8，制冷的同时供生活热水综合能效比约为6.5。