北京市昌平区某地下水热泵工程
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发布时间：2022-04-28 13:26
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时间：2023-10-10 09:23
1.工程概况
项目地点位于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18×104m2。2001年8月开始方案设计，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4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/（m2·K）。屋面保温材料为60厚的聚苯板或金属保温板，传热系数为0.6～0.78W/（m2·K）。外窗铝合金双玻窗，传热系数为3.5W/（m2·K）。
2.地下水热泵系统方案产生
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：①城市热网供热＋电制冷；②燃煤锅炉供热＋电制冷；③燃气锅炉供热＋电制冷；④燃油锅炉供热＋电制冷；⑤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①不能采用；方案②为燃煤锅炉，不符合环保要求，北京市*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④；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⑤不应采用。方案①、②、④、⑤不适用用于本工程。
方案③为燃气锅炉供热，据知昌平区天然气管线到校区还有5～10km，近两年是否接通不能确定。
为贯彻北京市*关于控制大气污染的要求，甲方委托北京市地质工程勘察对该地区的地质、水文地质条件进行了初步勘探，确认该地区地质、水文地质条件完全可以满足地下水热泵系统的设计要求。
甲方要求根据场区资源，在燃气锅炉供热＋电制冷（方案1）和地下水地下水热泵（以下简称热泵，方案2）这两个方案中进行比较选择
总投资：
方案1:5929.2万元（未计算从昌平至校区的天然气外管线投资）
方案2:5441.5万元
运行费用比较
（以2003年电费及燃气为准电费0.57元/kW，天然气1.8元/Nm3）：
方案1：夏季11.2元/m2
冬季27.9元/m2
方案2：夏季10.2元/m2
冬季25.4元/m2
方案特点：
方案1：
① 一次投资和年运行费用均略高于方案2；
② 需在校园内建一座锅炉房，使总平面难以规划；
③ 天然气外管线问题难以解决，会影响投入使用时间
方案2：
① 不必建锅炉房，一套热泵系统就能冬季供热、夏季供冷；
② 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；
③ 节省机房面积；
④ 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。
3.地下水热泵系统介绍
设计空调总冷负荷：15153kW；总热负荷：16081kW。高峰需水量900m3/h。自2003年投入使用以来，反映运行效果良好。
4.区域水文地质情况
对于本区具有供水意义的地层主要是为长城系高于庄组（Chg）及蓟县系雾迷山组（JxW）地层。
长城系高于庄组（Chg）地层
该组地层成带状分布于太平庄北部山区及近山前地带。岩性为浅灰色厚层硅质白云岩、硅质灰岩、燧石团块白云岩等。岩石风化破碎，裂隙发育。
蓟县系雾迷山组（JxW）地层
该组地层主要分布于太平庄山前至平原地带，隐伏于山前第四纪洪坡积松散堆积物之下，岩性主要为灰白色白云岩、白云质灰岩、燧石团块白云质灰岩及结晶白云岩，岩石风化破碎，岩溶裂隙发育，层面裂隙发育，特别在断裂构造带附近岩溶裂隙尤其发育，表明地下水富存条件好，是理想的供水水源的目的岩层。
本地区地下水的补给除少量大气降水通过松散第四系岩层的入渗补给外，主要为北部裸露基岩山区通过大气降水入渗的侧向补给和本岩层通过层面裂隙和构造裂隙来自十三陵地区地下水的侧向补给。
通过对勘探资料分析，本区隐伏于第四纪松散堆积物之下的蓟县系雾迷山组（JxW）岩层岩石破碎构造发育，岩溶裂隙发育，透水性、导水性能良好，是很好的供水水源。
5.井水系统
共钻井12眼（6抽6灌），井深约350m，井距150～200m，地下水位埋深在80m左右，单井出水量150m3/h，所抽取地下水在提取能量后全部回灌入地下；
校区共分为两个地下水热泵系统，该地区水源上游为东北方向，6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200～300m。6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。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。
供水井下泵段直径400mm，井深350m，每口井设计出水量150m3/h。
6.空调设备选型
全校共设计两个地下水热泵系统，行政楼热泵系统机房设在行政楼地下一层。机房内共设有22台热泵机组。大礼堂热泵系统机房设在大礼堂地下一层。
前区（教学行政区）和中区（宿舍区）建筑面积11.6×104m2，空调冷负荷10459kW，热负荷9314kW，卫生热水热负荷1500kW，选半封闭螺杆地下水热泵LSBLGR-530型机组22台，其中3台常年供卫生热水，末端采用新风机组＋风机盘管形式；后区（场馆区）建筑面积4.9×104m2，空调冷负荷5556kW，热负荷5834kW，卫生热水热负荷1000kW，选LSBLGR-530型机组14台，其中2台常年供卫生热水，末端形式采用全空气空调机组＋风机盘管＋新风机组形式。
7.自动控制与调节
热泵机组的自动控制：
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。
井群控制：
控制要求：①1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，满足热泵机组流量、压力的要求，最大限度地节水节电。②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。③潜水泵依上述方式加载。④反之，潜水泵台数逐台减少。
控制系统：
① 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；②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；③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；④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。⑤检测并记录各台潜水泵的水量及运行状态。
空调循环水系统的运行调节
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。
8.地下水热泵运行效果
该地源热泵供暖系统2003年11月投入运行至今运行效果良好。根据该冬、夏季运行状况的记录和显示的数据看，用户室内温度稳定，能够满足用户的冷、热负荷、生活热水等使用要求。
夏季空调及生活热水系统用电量约为6364kW；冬季供暖及生活热水系统用电量约为4660kW。
夏季从5月中旬逐步开始制冷至同年9月底，制冷费用约为1530000元；
冬季从11月初逐步供暖至次年3月底，供暖费用约为3809000元；
综合单价冬季每平方米供暖费用约20元，夏季每平方米制冷费用约8元。
9.水井运行情况
可满足抽、灌要求，高峰需水量900m3/h，取水能够100%回灌。运行4年以来水位无明显下降趋势，水质无变化，水量能够满足机组用水要求。
10.经济效益和环境效益
由于整个系统采用变频调速控制技术，根据热泵机组流量、压力的要求，潜水泵变频运行，最大限度地实现了节水节电，因此整个系统经济效益十分显著，同时也带来巨大的社会效益和环境效益，参观团络绎不绝，建设单位十分满意。
11.工程总结
（1）采用热泵机组取代锅炉房和冷冻站，可以减少烟囱和冷却塔，大大减低对大气的污染程度，改善城市环境卫生，有利生态平衡。在*锅炉房的地区如重点文物保护区、商业中心、旅游区、疗养区等地方，使用热泵尤为适宜。
（2）地下水热泵系统关键是水源，首先应经当地行政、环保、水资源等主管部门的批准，进行水文地质调查，并取得地质勘察报告和地下水资源的评估报告，其中包括水量、水温、水位和水质等参数，设计打井位置。根据当地条件做出回灌的方案，保证水全部回灌和水资源不被污染。
（3）该热泵机组的工作原理就是夏季采用井水作为冷却水，冬季井水作为热源，空调冷热水系统与井水系统管路配置好后，冬、夏季用切换阀门进行工况转换，见图3-3。因此，1～8阀门的严密性十分重要，如果阀门内漏，会使两个系统串起来。本工程就发生这样的问题，阀门6、7内漏，空调循环水系统的水漏到回灌井里去了，空调水系统压力上不去，系统不能正常运行。
（4）井水动水位的高低以及井水管网的大小，对系统的能耗有很大的影响，动水位越深，耗电量越大。笔者进行了计算，本工程深井泵的电量约占总电量的15%～18%，如果动水位的高度提高一半，则水泵提升高度减少一半；系统的作用半径减小，则管网的阻力减小，两项之和减小1/2时，水泵的扬程减小一半，即电量减少1/2左右，可节电约8%～10%。
地下水热泵技术在北美和欧洲有近几十年的历史，是一种广泛采用的、成熟的供热空调技术，地下水热泵供暖空调系统在我国应用已有十多年，与国外情况相比，发展是比较缓慢的。北京*学院地下水热泵系统是水-水热泵系统在工程中的应用实例，对今后该技术的推广具借鉴和参考价值。还望在今后的运行中积累经验，提高管理水平，为业主提供优质服务的同时节约运行成本。期待着该系统的使用能达到社会效益、环境效益和经济效益兼赢的局面。
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时间：2023-10-10 09:23
1.工程概况
项目地点位于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18×104m2。2001年8月开始方案设计，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4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/（m2·K）。屋面保温材料为60厚的聚苯板或金属保温板，传热系数为0.6～0.78W/（m2·K）。外窗铝合金双玻窗，传热系数为3.5W/（m2·K）。
2.地下水热泵系统方案产生
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：①城市热网供热＋电制冷；②燃煤锅炉供热＋电制冷；③燃气锅炉供热＋电制冷；④燃油锅炉供热＋电制冷；⑤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①不能采用；方案②为燃煤锅炉，不符合环保要求，北京市*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④；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⑤不应采用。方案①、②、④、⑤不适用用于本工程。
方案③为燃气锅炉供热，据知昌平区天然气管线到校区还有5～10km，近两年是否接通不能确定。
为贯彻北京市*关于控制大气污染的要求，甲方委托北京市地质工程勘察对该地区的地质、水文地质条件进行了初步勘探，确认该地区地质、水文地质条件完全可以满足地下水热泵系统的设计要求。
甲方要求根据场区资源，在燃气锅炉供热＋电制冷（方案1）和地下水地下水热泵（以下简称热泵，方案2）这两个方案中进行比较选择
总投资：
方案1:5929.2万元（未计算从昌平至校区的天然气外管线投资）
方案2:5441.5万元
运行费用比较
（以2003年电费及燃气为准电费0.57元/kW，天然气1.8元/Nm3）：
方案1：夏季11.2元/m2
冬季27.9元/m2
方案2：夏季10.2元/m2
冬季25.4元/m2
方案特点：
方案1：
① 一次投资和年运行费用均略高于方案2；
② 需在校园内建一座锅炉房，使总平面难以规划；
③ 天然气外管线问题难以解决，会影响投入使用时间
方案2：
① 不必建锅炉房，一套热泵系统就能冬季供热、夏季供冷；
② 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；
③ 节省机房面积；
④ 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。
3.地下水热泵系统介绍
设计空调总冷负荷：15153kW；总热负荷：16081kW。高峰需水量900m3/h。自2003年投入使用以来，反映运行效果良好。
4.区域水文地质情况
对于本区具有供水意义的地层主要是为长城系高于庄组（Chg）及蓟县系雾迷山组（JxW）地层。
长城系高于庄组（Chg）地层
该组地层成带状分布于太平庄北部山区及近山前地带。岩性为浅灰色厚层硅质白云岩、硅质灰岩、燧石团块白云岩等。岩石风化破碎，裂隙发育。
蓟县系雾迷山组（JxW）地层
该组地层主要分布于太平庄山前至平原地带，隐伏于山前第四纪洪坡积松散堆积物之下，岩性主要为灰白色白云岩、白云质灰岩、燧石团块白云质灰岩及结晶白云岩，岩石风化破碎，岩溶裂隙发育，层面裂隙发育，特别在断裂构造带附近岩溶裂隙尤其发育，表明地下水富存条件好，是理想的供水水源的目的岩层。
本地区地下水的补给除少量大气降水通过松散第四系岩层的入渗补给外，主要为北部裸露基岩山区通过大气降水入渗的侧向补给和本岩层通过层面裂隙和构造裂隙来自十三陵地区地下水的侧向补给。
通过对勘探资料分析，本区隐伏于第四纪松散堆积物之下的蓟县系雾迷山组（JxW）岩层岩石破碎构造发育，岩溶裂隙发育，透水性、导水性能良好，是很好的供水水源。
5.井水系统
共钻井12眼（6抽6灌），井深约350m，井距150～200m，地下水位埋深在80m左右，单井出水量150m3/h，所抽取地下水在提取能量后全部回灌入地下；
校区共分为两个地下水热泵系统，该地区水源上游为东北方向，6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200～300m。6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。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。
供水井下泵段直径400mm，井深350m，每口井设计出水量150m3/h。
6.空调设备选型
全校共设计两个地下水热泵系统，行政楼热泵系统机房设在行政楼地下一层。机房内共设有22台热泵机组。大礼堂热泵系统机房设在大礼堂地下一层。
前区（教学行政区）和中区（宿舍区）建筑面积11.6×104m2，空调冷负荷10459kW，热负荷9314kW，卫生热水热负荷1500kW，选半封闭螺杆地下水热泵LSBLGR-530型机组22台，其中3台常年供卫生热水，末端采用新风机组＋风机盘管形式；后区（场馆区）建筑面积4.9×104m2，空调冷负荷5556kW，热负荷5834kW，卫生热水热负荷1000kW，选LSBLGR-530型机组14台，其中2台常年供卫生热水，末端形式采用全空气空调机组＋风机盘管＋新风机组形式。
7.自动控制与调节
热泵机组的自动控制：
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。
井群控制：
控制要求：①1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，满足热泵机组流量、压力的要求，最大限度地节水节电。②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。③潜水泵依上述方式加载。④反之，潜水泵台数逐台减少。
控制系统：
① 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；②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；③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；④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。⑤检测并记录各台潜水泵的水量及运行状态。
空调循环水系统的运行调节
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。
8.地下水热泵运行效果
该地源热泵供暖系统2003年11月投入运行至今运行效果良好。根据该冬、夏季运行状况的记录和显示的数据看，用户室内温度稳定，能够满足用户的冷、热负荷、生活热水等使用要求。
夏季空调及生活热水系统用电量约为6364kW；冬季供暖及生活热水系统用电量约为4660kW。
夏季从5月中旬逐步开始制冷至同年9月底，制冷费用约为1530000元；
冬季从11月初逐步供暖至次年3月底，供暖费用约为3809000元；
综合单价冬季每平方米供暖费用约20元，夏季每平方米制冷费用约8元。
9.水井运行情况
可满足抽、灌要求，高峰需水量900m3/h，取水能够100%回灌。运行4年以来水位无明显下降趋势，水质无变化，水量能够满足机组用水要求。
10.经济效益和环境效益
由于整个系统采用变频调速控制技术，根据热泵机组流量、压力的要求，潜水泵变频运行，最大限度地实现了节水节电，因此整个系统经济效益十分显著，同时也带来巨大的社会效益和环境效益，参观团络绎不绝，建设单位十分满意。
11.工程总结
（1）采用热泵机组取代锅炉房和冷冻站，可以减少烟囱和冷却塔，大大减低对大气的污染程度，改善城市环境卫生，有利生态平衡。在*锅炉房的地区如重点文物保护区、商业中心、旅游区、疗养区等地方，使用热泵尤为适宜。
（2）地下水热泵系统关键是水源，首先应经当地行政、环保、水资源等主管部门的批准，进行水文地质调查，并取得地质勘察报告和地下水资源的评估报告，其中包括水量、水温、水位和水质等参数，设计打井位置。根据当地条件做出回灌的方案，保证水全部回灌和水资源不被污染。
（3）该热泵机组的工作原理就是夏季采用井水作为冷却水，冬季井水作为热源，空调冷热水系统与井水系统管路配置好后，冬、夏季用切换阀门进行工况转换，见图3-3。因此，1～8阀门的严密性十分重要，如果阀门内漏，会使两个系统串起来。本工程就发生这样的问题，阀门6、7内漏，空调循环水系统的水漏到回灌井里去了，空调水系统压力上不去，系统不能正常运行。
（4）井水动水位的高低以及井水管网的大小，对系统的能耗有很大的影响，动水位越深，耗电量越大。笔者进行了计算，本工程深井泵的电量约占总电量的15%～18%，如果动水位的高度提高一半，则水泵提升高度减少一半；系统的作用半径减小，则管网的阻力减小，两项之和减小1/2时，水泵的扬程减小一半，即电量减少1/2左右，可节电约8%～10%。
地下水热泵技术在北美和欧洲有近几十年的历史，是一种广泛采用的、成熟的供热空调技术，地下水热泵供暖空调系统在我国应用已有十多年，与国外情况相比，发展是比较缓慢的。北京*学院地下水热泵系统是水-水热泵系统在工程中的应用实例，对今后该技术的推广具借鉴和参考价值。还望在今后的运行中积累经验，提高管理水平，为业主提供优质服务的同时节约运行成本。期待着该系统的使用能达到社会效益、环境效益和经济效益兼赢的局面。
