设 计 时 间：2010年1月～2010年7月

工程竣工日期：2012年6月

设 计 单 位：天津市建筑设计院

主 要 设计人：宋 晨 王 砚 秦小娜 王东博

本 文 执笔人：宋 晨

作者简介

宋晨，男，1984.1.18，工程师，天津市建筑设计院绿色建筑机电技术研发中心副主任工程师，2006年毕业于河南科技大学建筑环境与设备工程专业，本科学历，主持了生态城公屋展示中心“零能耗”建筑，南开大学1#集中能源站等数十项工程设计及咨询工作。

天津南开大学新校区1#集中能源站，位于南开大学津南新校区中央核心教学区内，能源站建筑面积3430m2，建筑地上高度5.85m。1#集中能源站所服务的单体建筑包括体育馆、公共教学楼、综合试验楼、图书馆及综合业务楼（东、西），总建筑面积为219407m2，最大供冷、供热半径为540m。

1．根据校区建筑使用特性及分布区域制定集中能源站设置位置及负担区域。

2．采用带冷热调峰土壤源热泵系统，冷调峰为冷却塔，热调峰为燃气热水机组。在充分利用可再生能源的同时，合理确定冷、热调峰形式及容量，保证系统长期的高效运行。

3．采用分区域二级泵的输配方式，根据单体建筑使用性质及所处位置设置二级泵组，降低输配能耗及能源浪费。

1．设计参数

（1）室外气象参数

（2）室内设计参数

2．设计负荷

（1）各单体建筑设计单位提供的峰值空调冷、热负荷：

（2）能源站供冷、供热峰值负荷：能源站设计日峰值供冷负荷：20613kW，供热负荷16439kW。

1．供冷、供热系统方案概述

设有调峰冷、热源的地源热泵系统。其中，调峰冷源为冷却塔；调峰热源为真空燃气热水机组；系统配置六台离心式水源热泵机组及两台真空燃气热水机组；地源热泵系统的土壤换热器设于南开湖底及周边区域及能源站所在周围区域；系统采用分区域二级泵系统，通过两管制室外管网，直接向单体建筑供冷、供热。供冷参数：6℃/13℃，供热参数：48℃/38℃。

2．系统配置

（1）调峰冷源

1) 形式——鼓风式冷却塔；

2) 容量——四台，单台循环水量620m3/h；

3) 设计工况参数——32℃/37℃；

4) 安装部位——下沉式安装，设于冷却塔基坑内；

5) 冷却水泵——设置于能源站内，通过母管并联成组。

（2）调峰热源

1) 机组形式——冷凝式燃气热水机组；

2) 机组台数——2台

2) 机组参数——2800kW；

3) 与主体热源的连接方式——串联。

（3）主机

1) 机组形式——离心式水源热泵机组；

2) 机组台数——六台；

3) 机组参数——单台机组名义制冷量：3500kW；名义制热量：3300kW。

（4）埋管换热器（地埋管）

1) 土壤换热装置——双U型垂直式埋管换热器；

2) 取、放热能力——依据热响应测试报告：35℃工况，排热量约为64.2W/m；5℃工况，取热量约为41.7W/m；

3) 布井方案——钻孔数1810口、孔深120米、孔间距5米、钻孔直径为Φ200mm；

4) 水平集管形式——单管区域集中＋检查井式；

5) 连接方式——系统制冷时，地源侧水系统与冷却塔水系统以双母管形式接入机组冷凝器，即任意一台机组均可通过地源或冷却塔排热；系统制热时，地源侧水系统借用夏季用冷冻水母管接入机组蒸发器，实现自地源取热，同时系统水借用夏季地源侧母管接入机组冷凝器。

（5）主要技术参数

1．空调水系统

（1）形式——采用两管制、一级泵定流量、二级泵变流量、冷热水共用型空调水系统，通过机房空调水系统阀门切换实现供冷、供热两种运行模式的转换；将供应的各单体建筑分设为三个供能分区，分别为体育馆供能分区；大学生活动中心、公共教学楼、综合试验楼供能分区；图书馆、综合业务楼东、西配楼供能分区，按不同供能分区设置三套二级泵系统。

（2）定压补水——采用隔膜式定压补水装置，系统定压压力0.55MPa，系统可能出现的最大压力为1.15MPa。

（3）水质保证——采用物理与化学处理方式相结合，其物理方式处理设备为快速直通过滤器与Y型过滤器，化学处理方式为自动加药装置，同时采用旁滤方式保证系统水质。

2．地源侧水系统

（1）形式——一级泵、两管制、定流量系统；

（2）定压补水——采用隔膜式定压补水装置；

（3）水质保证——采用物理方式，其处理设备为快速直通过滤器与Y型过滤器，同时采用旁滤方式保证系统水质。

六、空调自控设计

1．采用基于PLC的机房群控系统实现制冷与供热系统的自动运行与调节，体现为：

1）根据运行策略自动决定制冷与供热系统的状态。

2）在制冷工作状态时，实现以下功能：

①无论何种工况，能根据主机负荷率，辅之以由主机蒸发器进水温度判断的负荷变化趋势，自动决定主机及相应的一级泵与地源侧循环系统/冷却水循环系统的投入或退出。

②根据以下要求实现制冷系统的安全运行：

制冷系统的启动顺序——系统一级泵、地源泵/冷却水泵启动→冷却塔风机根据冷却水水温启动或停止→水源热泵机组自动启动→系统二级泵启动。

制冷系统的关闭顺序——关闭系统二级泵→水源热泵机组、冷却塔风机同时关闭→延时五分钟→关闭系统一级泵、地源泵、冷却水泵。

蒸发器进水管、冷凝器进水管均设置水流开关及开关型电动两通阀，实现机组保护与系统的卸载运行。

③根据“等运行时间原则”自动均衡设备运行时间，延长其使用寿命。

3）在供热工作状态时，实现以下功能：

①根据运行策略自动实现主机与调峰热源的运行匹配，在保证土壤“年度”热平衡的前提下，充分利用土壤源的供热能力。

②能根据主机运行负荷率，辅之以由主机冷凝器进水温度判断的负荷变化趋势，自动决定主机及相应的系统一级泵与地源侧循环系统的投入或退出。

③根据系统回水温度判断，自动决定真空燃气热水机组的加载、卸载或投入、退出。

④根据以下要求实现制热系统的安全运行：

供热系统的启动顺序为：系统一级泵、地源泵启动→水源热泵机组及真空燃气热水机组自动启动→系统二级泵启动。

供热系统的关闭顺序为：关闭系统二级泵→关闭水源热泵机组及真空燃气热水机组→延时五分钟→关闭系统一级泵、地源泵。

蒸发器进水管、冷凝器进水管均设置水流开关及开关型电动两通阀，实现机组保护与系统的卸载运行。

⑤根据“等运行时间原则”自动均衡设备运行时间，延长其使用寿命。

2．水源热泵主机

水源热泵主机接受由机房群控系统发出的工作指令，根据机组运行负荷率，辅之以由蒸发器进水温度判断的负荷变化趋势，自动决定机组及相应循环系统的投入或退出。

3．真空燃气热水机组

首先关闭真空燃气热水机组旁通开闭阀，根据系统回水温度判断，实现真空燃气热水机组的加、卸载。

当系统供水温度供水温度达到45℃时，系统回水温度仍高于38℃，关闭真空燃气热水机组，开启真空燃气热水机组旁通开闭阀，实现水源热泵机组独立供热。

4．埋管换热器（地埋管）

根据土壤温度监测，通过土壤及土壤换热器出水温度变化，自动控制土壤换热器工作状态（运行或不运行），并在需要时开启冷却塔。根据土壤热平衡情况，夏季调节冷却塔开启时间，冬季调节真空燃气热水机组的使用比例，确保地源热泵系统长期、稳定、可靠运行。

5．介质输配与水质保证系统

1）系统一级水泵：根据对应机组开启、关闭，实现一级水泵的加、卸载，实现恒流量运行，在管网阻力发生变化时，根据恒定流量原则调节水泵变频。

2）系统二级水泵

①恒定水系统最不利环路（或最不利环路组）资用压差，辅之以供回水温差控制，实现对系统循环泵的变频控制。

②在保证压差设定值的前提下，以输送效率最高实现循环泵组群控。

3）地源侧循环泵与冷却水系统循环泵

根据实测流量与设定流量的比较，调节地源侧循环泵台数，流量设定值由机房群控系统根据负荷控制要求在线设定。

地源侧与冷却塔系统采用双母管形式接入主机。供冷时根据地温监测及末端负荷需求，手动转换各台机组接入的系统（即接入地源侧系统或冷却塔系统），相应循环水泵自动加载或卸载；供热时根据热泵机组的加载与卸载联动地源泵的加载与卸载。

4）定压补水与水质保证系统

①启动或调节补水泵以恒定水系统定压压力；

②根据定期的水质分析，采取定时定量的加药处理。

6．自动控制系统应实现但不限于对下列数据的监测与显示：

1）系统涉及各种运转设备的工作状态

2）系统供、回水温度、流量、压差与输出的冷、热量

3）系统总电功率

4）系统能效比

5）冷却塔系统进出水温度、流量、压差

6）土壤埋管换热器系统进出水温度、流量、压差

7）土壤埋管换热器系统不同区域、不同深度温度

8）真空燃气热水机组供、回水温度、流量、压差

9）各单体建筑换热器系统一次侧供、回水温度、流量、压差

1. 集中能源站设计工况，供冷系统COP=4.05，供热系统COP=3.46

2．从2016-1-1，0：00至2016-3-18日9：00，集中能源站供热量13682MWh，折合单位建筑面积供热量62kWh/m2。按照11月15日至3月15日为标准供热季推算，单位建筑面积供热量96.96kWh/m2.a。地源侧取热量8315MWh。

3．实际系统供热COP=2.54

本项工程设计荣获第六届中国建筑学会优秀暖通空调工程设计奖

二等奖，收录于《暖通空调工程优秀设计图集⑥》（ISBN：978-

7-112-21147-0）。