設 計 時 間：2010年1月～2010年7月
工程竣工日期：2012年6月
設 計 單 位：天津市建筑設計院
主 要 設計人：宋 晨 王 硯 秦小娜 王東博
本 文 執(zhí)筆人：宋 晨
作者簡介
宋晨，男，1984.1.18，工程師，天津市建筑設計院綠色建筑機電技術研發(fā)中心副主任工程師，2006年畢業(yè)于河南科技大學建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)，本科學歷，主持了生態(tài)城公屋展示中心“零能耗”建筑，南開大學1#集中能源站等數(shù)十項工程設計及咨詢工作。
天津南開大學新校區(qū)1#集中能源站，位于南開大學津南新校區(qū)中央核心教學區(qū)內，能源站建筑面積3430m2，建筑地上高度5.85m。1#集中能源站所服務的單體建筑包括體育館、公共教學樓、綜合試驗樓、圖書館及綜合業(yè)務樓（東、西），總建筑面積為219407m2，最大供冷、供熱半徑為540m。
1．根據(jù)校區(qū)建筑使用特性及分布區(qū)域制定集中能源站設置位置及負擔區(qū)域。
2．采用帶冷熱調峰土壤源熱泵系統(tǒng)，冷調峰為冷卻塔，熱調峰為燃氣熱水機組。在充分利用可再生能源的同時，合理確定冷、熱調峰形式及容量，保證系統(tǒng)長期的高效運行。
3．采用分區(qū)域二級泵的輸配方式，根據(jù)單體建筑使用性質及所處位置設置二級泵組，降低輸配能耗及能源浪費。
1．設計參數(shù)
（1）室外氣象參數(shù)
（2）室內設計參數(shù)
2．設計負荷
（1）各單體建筑設計單位提供的峰值空調冷、熱負荷：
（2）能源站供冷、供熱峰值負荷：能源站設計日峰值供冷負荷：20613kW，供熱負荷16439kW。
1．供冷、供熱系統(tǒng)方案概述
設有調峰冷、熱源的地源熱泵系統(tǒng)。其中，調峰冷源為冷卻塔；調峰熱源為真空燃氣熱水機組；系統(tǒng)配置六臺離心式水源熱泵機組及兩臺真空燃氣熱水機組；地源熱泵系統(tǒng)的土壤換熱器設于南開湖底及周邊區(qū)域及能源站所在周圍區(qū)域；系統(tǒng)采用分區(qū)域二級泵系統(tǒng)，通過兩管制室外管網(wǎng)，直接向單體建筑供冷、供熱。供冷參數(shù)：6℃/13℃，供熱參數(shù)：48℃/38℃。
2．系統(tǒng)配置
（1）調峰冷源
1) 形式——鼓風式冷卻塔；
2) 容量——四臺，單臺循環(huán)水量620m3/h；
3) 設計工況參數(shù)——32℃/37℃；
4) 安裝部位——下沉式安裝，設于冷卻塔基坑內；
5) 冷卻水泵——設置于能源站內，通過母管并聯(lián)成組。
（2）調峰熱源
1) 機組形式——冷凝式燃氣熱水機組；
2) 機組臺數(shù)——2臺
2) 機組參數(shù)——2800kW；
3) 與主體熱源的連接方式——串聯(lián)。
（3）主機
1) 機組形式——離心式水源熱泵機組；
2) 機組臺數(shù)——六臺；
3) 機組參數(shù)——單臺機組名義制冷量：3500kW；名義制熱量：3300kW。
（4）埋管換熱器（地埋管）
1) 土壤換熱裝置——雙U型垂直式埋管換熱器；
2) 取、放熱能力——依據(jù)熱響應測試報告：35℃工況，排熱量約為64.2W/m；5℃工況，取熱量約為41.7W/m；
3) 布井方案——鉆孔數(shù)1810口、孔深120米、孔間距5米、鉆孔直徑為Φ200mm；
4) 水平集管形式——單管區(qū)域集中＋檢查井式；
5) 連接方式——系統(tǒng)制冷時，地源側水系統(tǒng)與冷卻塔水系統(tǒng)以雙母管形式接入機組冷凝器，即任意一臺機組均可通過地源或冷卻塔排熱；系統(tǒng)制熱時，地源側水系統(tǒng)借用夏季用冷凍水母管接入機組蒸發(fā)器，實現(xiàn)自地源取熱，同時系統(tǒng)水借用夏季地源側母管接入機組冷凝器。
（5）主要技術參數(shù)
1．空調水系統(tǒng)
（1）形式——采用兩管制、一級泵定流量、二級泵變流量、冷熱水共用型空調水系統(tǒng)，通過機房空調水系統(tǒng)閥門切換實現(xiàn)供冷、供熱兩種運行模式的轉換；將供應的各單體建筑分設為三個供能分區(qū)，分別為體育館供能分區(qū)；大學生活動中心、公共教學樓、綜合試驗樓供能分區(qū)；圖書館、綜合業(yè)務樓東、西配樓供能分區(qū)，按不同供能分區(qū)設置三套二級泵系統(tǒng)。
（2）定壓補水——采用隔膜式定壓補水裝置，系統(tǒng)定壓壓力0.55MPa，系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大壓力為1.15MPa。
（3）水質保證——采用物理與化學處理方式相結合，其物理方式處理設備為快速直通過濾器與Y型過濾器，化學處理方式為自動加藥裝置，同時采用旁濾方式保證系統(tǒng)水質。
2．地源側水系統(tǒng)
（1）形式——一級泵、兩管制、定流量系統(tǒng)；
（2）定壓補水——采用隔膜式定壓補水裝置；
（3）水質保證——采用物理方式，其處理設備為快速直通過濾器與Y型過濾器，同時采用旁濾方式保證系統(tǒng)水質。
六、空調自控設計
1．采用基于PLC的機房群控系統(tǒng)實現(xiàn)制冷與供熱系統(tǒng)的自動運行與調節(jié)，體現(xiàn)為：
1）根據(jù)運行策略自動決定制冷與供熱系統(tǒng)的狀態(tài)。
2）在制冷工作狀態(tài)時，實現(xiàn)以下功能：
①無論何種工況，能根據(jù)主機負荷率，輔之以由主機蒸發(fā)器進水溫度判斷的負荷變化趨勢，自動決定主機及相應的一級泵與地源側循環(huán)系統(tǒng)/冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的投入或退出。
②根據(jù)以下要求實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的安全運行：
制冷系統(tǒng)的啟動順序——系統(tǒng)一級泵、地源泵/冷卻水泵啟動→冷卻塔風機根據(jù)冷卻水水溫啟動或停止→水源熱泵機組自動啟動→系統(tǒng)二級泵啟動。
制冷系統(tǒng)的關閉順序——關閉系統(tǒng)二級泵→水源熱泵機組、冷卻塔風機同時關閉→延時五分鐘→關閉系統(tǒng)一級泵、地源泵、冷卻水泵。
蒸發(fā)器進水管、冷凝器進水管均設置水流開關及開關型電動兩通閥，實現(xiàn)機組保護與系統(tǒng)的卸載運行。
③根據(jù)“等運行時間原則”自動均衡設備運行時間，延長其使用壽命。
3）在供熱工作狀態(tài)時，實現(xiàn)以下功能：
①根據(jù)運行策略自動實現(xiàn)主機與調峰熱源的運行匹配，在保證土壤“年度”熱平衡的前提下，充分利用土壤源的供熱能力。
②能根據(jù)主機運行負荷率，輔之以由主機冷凝器進水溫度判斷的負荷變化趨勢，自動決定主機及相應的系統(tǒng)一級泵與地源側循環(huán)系統(tǒng)的投入或退出。
③根據(jù)系統(tǒng)回水溫度判斷，自動決定真空燃氣熱水機組的加載、卸載或投入、退出。
④根據(jù)以下要求實現(xiàn)制熱系統(tǒng)的安全運行：
供熱系統(tǒng)的啟動順序為：系統(tǒng)一級泵、地源泵啟動→水源熱泵機組及真空燃氣熱水機組自動啟動→系統(tǒng)二級泵啟動。
供熱系統(tǒng)的關閉順序為：關閉系統(tǒng)二級泵→關閉水源熱泵機組及真空燃氣熱水機組→延時五分鐘→關閉系統(tǒng)一級泵、地源泵。
蒸發(fā)器進水管、冷凝器進水管均設置水流開關及開關型電動兩通閥，實現(xiàn)機組保護與系統(tǒng)的卸載運行。
⑤根據(jù)“等運行時間原則”自動均衡設備運行時間，延長其使用壽命。
2．水源熱泵主機
水源熱泵主機接受由機房群控系統(tǒng)發(fā)出的工作指令，根據(jù)機組運行負荷率，輔之以由蒸發(fā)器進水溫度判斷的負荷變化趨勢，自動決定機組及相應循環(huán)系統(tǒng)的投入或退出。
3．真空燃氣熱水機組
首先關閉真空燃氣熱水機組旁通開閉閥，根據(jù)系統(tǒng)回水溫度判斷，實現(xiàn)真空燃氣熱水機組的加、卸載。
當系統(tǒng)供水溫度供水溫度達到45℃時，系統(tǒng)回水溫度仍高于38℃，關閉真空燃氣熱水機組，開啟真空燃氣熱水機組旁通開閉閥，實現(xiàn)水源熱泵機組獨立供熱。
4．埋管換熱器（地埋管）
根據(jù)土壤溫度監(jiān)測，通過土壤及土壤換熱器出水溫度變化，自動控制土壤換熱器工作狀態(tài)（運行或不運行），并在需要時開啟冷卻塔。根據(jù)土壤熱平衡情況，夏季調節(jié)冷卻塔開啟時間，冬季調節(jié)真空燃氣熱水機組的使用比例，確保地源熱泵系統(tǒng)長期、穩(wěn)定、可靠運行。
5．介質輸配與水質保證系統(tǒng)
1）系統(tǒng)一級水泵：根據(jù)對應機組開啟、關閉，實現(xiàn)一級水泵的加、卸載，實現(xiàn)恒流量運行，在管網(wǎng)阻力發(fā)生變化時，根據(jù)恒定流量原則調節(jié)水泵變頻。
2）系統(tǒng)二級水泵
①恒定水系統(tǒng)最不利環(huán)路（或最不利環(huán)路組）資用壓差，輔之以供回水溫差控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)循環(huán)泵的變頻控制。
②在保證壓差設定值的前提下，以輸送效率最高實現(xiàn)循環(huán)泵組群控。
3）地源側循環(huán)泵與冷卻水系統(tǒng)循環(huán)泵
根據(jù)實測流量與設定流量的比較，調節(jié)地源側循環(huán)泵臺數(shù)，流量設定值由機房群控系統(tǒng)根據(jù)負荷控制要求在線設定。
地源側與冷卻塔系統(tǒng)采用雙母管形式接入主機。供冷時根據(jù)地溫監(jiān)測及末端負荷需求，手動轉換各臺機組接入的系統(tǒng)（即接入地源側系統(tǒng)或冷卻塔系統(tǒng)），相應循環(huán)水泵自動加載或卸載；供熱時根據(jù)熱泵機組的加載與卸載聯(lián)動地源泵的加載與卸載。
4）定壓補水與水質保證系統(tǒng)
①啟動或調節(jié)補水泵以恒定水系統(tǒng)定壓壓力；
②根據(jù)定期的水質分析，采取定時定量的加藥處理。
6．自動控制系統(tǒng)應實現(xiàn)但不限于對下列數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示：
1）系統(tǒng)涉及各種運轉設備的工作狀態(tài)
2）系統(tǒng)供、回水溫度、流量、壓差與輸出的冷、熱量
3）系統(tǒng)總電功率
4）系統(tǒng)能效比
5）冷卻塔系統(tǒng)進出水溫度、流量、壓差
6）土壤埋管換熱器系統(tǒng)進出水溫度、流量、壓差
7）土壤埋管換熱器系統(tǒng)不同區(qū)域、不同深度溫度
8）真空燃氣熱水機組供、回水溫度、流量、壓差
9）各單體建筑換熱器系統(tǒng)一次側供、回水溫度、流量、壓差
1. 集中能源站設計工況，供冷系統(tǒng)COP=4.05，供熱系統(tǒng)COP=3.46
2．從2016-1-1，0：00至2016-3-18日9：00，集中能源站供熱量13682MWh，折合單位建筑面積供熱量62kWh/m2。按照11月15日至3月15日為標準供熱季推算，單位建筑面積供熱量96.96kWh/m2.a。地源側取熱量8315MWh。
3．實際系統(tǒng)供熱COP=2.54
本項工程設計榮獲第六屆中國建筑學會優(yōu)秀暖通空調工程設計獎
二等獎，收錄于《暖通空調工程優(yōu)秀設計圖集⑥》（ISBN：978-
7-112-21147-0）。
