南水北调中线惠南庄泵站水源热泵系统设计与应用

第８卷第２期　南水北调与水利科技　Ｓｏｕｔｈ—ｔｏ—Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＬ８　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１０　２０１０年４月　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ　１６７２—１６８３．２０１０．０２．００５　南水北调中线惠南庄泵站水源热泵系统设计与应用　王　耿　（南水北调中线干线工程建设管理局，北京１０２４０７）　摘要：考虑目前气候变化的严重性并结合工程实际，分析了在南水北调中线惠南庄泵站采用水源热泵技术的必要性与　可行性，阐述了水源热泵系统的工作原理．简要介绍了系统主要部分的设计，并对系统的控制与维护作了说明。　关键词：水源热泵；南水北调；泵站；设计　中图分类号：ＴＵ８３１；ＴＶ２１３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—１６８３（２０１０）０２—００１７—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｈｕｉｎａｎｚｈｕａｎｇ　Ｐｕｍｐ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｒｏｕｔｅ　Ｐｒｑｊｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ－Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｇｅｎｇ　（Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｏｕｔｈ—ｔｏ—Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｒｏｕｔｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ，ＢｅＯｉｎｇ　１０２４０７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｈｕｉｎａｎｚｈｕａｎｇ　ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｉｎａｌｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；Ｓｏｕｔｈ—ｔｏ—Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ；ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ　源为直接或间接燃烧化石燃料取得。而在夏季制冷方面，　Ｕ　刖罱　依建筑规模的不同而分别采用中央空调或单体空调，空调　目前，包括大气温度升高在内的一系列地球气候变化问　题已经成为世界发展与稳定所面临的重要课题，引起了所有　国家政府及人民的极大关注。从技术上看，减少碳排放是解　设备的动力为电能，而电能主要是由燃烧化石燃料转化而　来。因此可见，不论是冬季取暖还是夏季制冷，虽然通过集　中投放的形式解决了部分传输效率问题，节约了一定的能　量，但由于其主要能源来自煤碳、油气等化石燃料，仍不可　避免地产生Ｃ０２的大量排放。因此，应该寻求利用更节能　决这一问题的核心办法。这就需要在技术上，政策上，在国民　经济发展的每一个环节落实减排措施，优先利用太阳能、风　能、水能、核能、生物能等零排放或低排放绿色能源一　。南水　北调中线惠南庄泵站是一座大型工程建筑群，其生产、生活空　调系统采用了水源热泵技术，取代了燃煤锅炉取暖加普通空　调制冷的传统方式，达到了节能与环保的双重目的。本文从　更环保的制冷热技术。　水源热泵技术就是一种在技术上和经济上都具有较大优　势的解决供热和制冷的空调替代方式。它起源于欧洲，兴起于　２Ｏ世纪７Ｏ年代，目前已发展成为一种成熟的技术　］。例如在　美国，水源热泵空调系统已经占到整个空调系统４Ｏ　的份额。　水源热泵技术的特性及原理出发，结合工程实际情况，对其设　计及应用情况作简要介绍。　近年来，我国开始大力宣传和推广使用热泵技术，并采取　了各项措施来鼓励和促进它的应用。建设部在《夏热冬冷地　ｌ　采用水源热泵技术的必要性和可行性　对于供暖制冷行业，传统供热的燃煤锅炉不仅能源利用　区居住建筑节能设计标准》对此作了专门规定，国家已将北　京、天津、沈阳三个城市做为水源热泵试点城市。北京市于　２００６年发布了《关于发展热泵系统的指导意见》ｌ３］，２００８年北　率低，而且还会给城市大气造成严重的污染，因此在一些城市　中燃煤锅炉在被逐步淘汰，而燃油、燃气锅炉则运行费用很　高。目前，在我国北方地区的大中城市中，冬季供热的主要形　式为火电厂热力机组或区域热力锅炉集中供热，其需要的能　京奥运会将水源热泵中央空调作为指定的中央空调型式。目　前，水源热泵已经在办公楼、学校、医院以及居民住宅等场合　得到逐步的重视和应用。　收稿日期：２０１０—０１　ｌ１　修回日期：２０１０　０１　３１　作者简介：王耿（１９７１）．男，山西交城人，工程师，主要从事水利工程机电及自动化等方面的研究。　南水　．。地讽　‘　７・　第８卷总第４７期・南水北调与水利科技・２０１０年第２期　南水北调工程是一项国家级的大型工程，工程投资巨大，　资金相对充足。工程设计中秉承技术先进、成熟、可靠的理　念，并始终坚持环保与节能的原则，在条件适当的建筑的暖通　设计中应用水源热泵技术正是上述设计理念与原则的具体体　现，也是工程建设的实际需要。惠南庄泵站地处北京市西南　边界，位于北拒马河河滩，地下水较为充足。更主要的是，南　水北调工程担负向首都北京供水的战略任务，运行可靠，水源　充足，运行期间，引水流量为２ｏ～６ｏ　ｒｎ３／ｓ，水源易于开发利　用［４　。泵站地处北京，采用这一技术也是对首都环境保护的　一种贡献。　２水源热泵系统的工作原理　水源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用　技术，是一种转移水源中地能的冷量和热量的设备。河水、湖　水、地下水等地球表面浅层水源吸收了太阳辐射的能量，温度　相对稳定，具有巨大的蓄热蓄冷能力。它可以转移土壤中热　量或者冷量到所需要的地方。在夏季，水源热泵空调系统将　建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高　效地带走热量。在冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能　量，通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中　］。　通常，水源热泵消耗１　ｋＷ的能量，用户可以得到约４　ｋＷ热　量或冷量。　水源热泵系统的核心设备是热泵机组，热泵机组主要由　压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成，基于卡诺循环和逆卡　诺循环原理工作。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低　压处到高温高压处的作用，是热泵系统的心脏；蒸发器是输出　冷量的设备，它的作用是使经节流阀流人的制冷剂液体蒸发，　以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热　量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化　的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀　对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工　质流量Ｌ６］。　根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补　偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境　放热，周而往复地进行循环。而热泵所利用的水源冷热量，正　是在蒸发器与冷凝器的热交换过程中，参与其中，将水源中的　冷量或热量补充进入交换过程，达到省电的作用，并可大大节　省空调机组的容量与尺寸。　３系统组成及选型　如图１所示，水源热泵系统主要由３部分组成：室外地能　换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。见图１。　３．１　室外换能系统　室外换热方式根据取水方式可分为３类：①土壤埋盘管　系统；②地下水系统；③地表水系统。根据循环水是否为密　闭系统，水源又可分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管　方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热器方式或水井　回灌方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式，回水则就　近排放［　。　．１８．　图１水源热泵系统原理及组成　惠南庄泵站水源采用地下水结合地表水方式，南水北调　工程通水期间，水源取自渠道，供水稳定，这是主水源。完成　热交换后，回水排回渠道，没有水资源浪费。工程维修停水期　问，热泵水源取自专用水井，水质良好，水量稳定，采用闭环回　灌方式，也不造成水资源浪费。因为热交换过程中水在密闭　管道中流动，所以也不存在水污染问题。　其中供水井位于热泵机房室外，井深２００　ｍ，配一台潜水　泵，容量４０　ｋＷ，出水量不小于８ＯⅡｌ３／ｓ。渠道水源取自泵站　进口，配两台２２　ｋｗ潜水泵，并联运行。　３．２热泵机组　热泵机组的热量交换方式主要有两种形式：水一水式或　水一空气式。３个系统之间通过水或空气换热介质进行热量　的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空　调末端换热介质可以是水或空气。　冷热量输送方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。　集中系统的热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路　分配系统送到各房间。分散系统用中央水泵，采用水环路方　式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机　组调节空气。这种方式适用于独立热计量要求。混合系统为　水源结合冷却塔或水源结合热锅炉联合使用的方式，可减少　水源的容量需求，节省一定投资　］。　惠南庄泵站属于工程建筑，为保证系统的可靠性与良好　效能，机组采用集中方式布置。空调负荷为主副厂房与生产　区两部分，其中主副厂房采用一大一小两台机组互备，小机组　供生产办公空调负荷，为主用系统，大机组可带扩大面积负　荷。根据冷热负荷计算，小机组选用制热量３４０　ｋＷ，电功率　８２　ｋｗ，制冷量３１３　ｋｗ，电功率６２　ｋＷ，大机组制热量７２０　ｋｗ，制冷量６２０　ｋＷ。生活区包括办公楼、宿舍及食堂３个建　筑，热泵选用与厂房大机组相同配置。压缩机采用半封闭螺　杆式压缩机，功率为８２．５　ｋＷ，壳管式冷凝器与蒸发器，噪声　小于８０　ｄＢ。　３．３换向阀组　在热泵机房设两套换向阀组，用于制冷与制热模式的选　择。如图１所示，当热泵站工作在冬季制热模式时，阀门１　号、３号、５号、７号打开，２号、４号、６号、８号关闭，工作在夏　季制冷模式时，阀ｆ－Ｊ　１号、３号、５号、７号关闭，２号、４号、６　号、８号打开。　王　耿・南水北调中线惠南庄泵站水源热泵系统设计与应用　３．４室内末端及其它部分　热泵机组负荷端出水测接循环加压泵，功率１５　ｋｗ。负　荷端水管并接补水泵，以备水量损失时向管道内补水。向建　报警及保护：可查询故障时间、位置、内容等信息，保存　１００条，故障消失后可对报警进行复位。　其它功能：多机组联网联控、冬季防冻、能量控制、防压缩　筑物房间末端配置空一水型风机盘管，风速可调。　４系统的控制与维护　４．１　系统的控制　热泵主机结合电脑控制器、电磁阀、压力计、流量计、温度　计等控制测量元件，就可构成一套电脑控制的自动运行装置。　系统的运行与操作通过ＬＥＤ人机界面完成。在ＬＥＤ画面上　可对热泵系统进行运行方式选择、开停机操作、数据测量及显　示、故障报警及保护设定、远程通信与控制等功能　］。具体功　能说明如下并见图２。　图２热泵系统控制　操作：可通过开机与停止按键进行开停机的操作。　显示：可显示运行状态、故障报警、运行模式、通信状态、　温度等。　运行模式选择：机组可在制冷、制热、自动、循环４种模式　下工作，其中自动模式是根据设定的温度与室温的比较来由　机器自动选择制冷或制热工况的模式，循环是压缩机不工作，　只作水源的循环。　通信：分别有两个ＲＳ－４８５和一个ＲＳ－２３２串行接口，４８５　口一个可接电脑，进行维护升级，一个接Ｉ／Ｏ模块，进行数据　测量与控制。２３２口可通过调制解调器实现远程控制。　参数设定：可对机组运行状态、运行时间、水温、室温等参　数进行设置，可对ＵＯ进行设置。主要的ＩＸ）控制量有：井水　泵、空调泵、电磁阀、压缩机、报警及状态等。主要的ＤＩ量有：　井水流、空调水流、高低压保护、压缩机过载、水压保护等。主　要的ＡＩ量有：冷凝进，／出水温度、蒸发进／出水温度、环境温　度、油压、冷凝／蒸发压力等。　机频繁启停等。　４．２　系统的维护　在平常的使用维护过程中，特别注意以下几方面：①启动　应打开压缩机的吸气与排气阀，检查阀门处于开启状态；②冬　季温度接近零度时要加入防冻液；③压缩机禁止频繁启停，刚　开机后不要立即停机；④经常性检查管路及电路，防止泄漏或　绝缘损坏；⑤检查蒸发器与冷凝器的压力以及压缩机的功率　与电流在正常范围；⑥定期进行润滑、除垢等保养工作ｍ］。　５结语　南水北调是我国的一项大型公益性工程，在工程建设和　运行中不仅要实现安全高效调水的基本功能，同时也要确保　使南水北调成为一项绿色工程，这不仅是国家的政策要求，也　是南水北调工程应负的社会责任“　。惠南庄泵站的水源热　泵空调系统就是一项先进的绿色减排技术与水利工程实际相　结合的成功实践，可为水源充足、水量稳定的水利泵站、水电　站等大型水电工程建筑物的空调设计应用有益的借鉴作用。　参考文献：　［１］樊纲。走向低碳发展：中国与世界ＥＭ］．北京：中国经济出版社，　２Ｏｌ０．　［２］蒋能照，刘道平．水源、地源、水环热泵空调技术及应用［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，２００７．　［３］北京市政府．关于发展热泵系统的指导意见［ｚ］．２００６．　［４］北京市水利勘察设计院．南水北调中线惠南庄泵站初步设计报　告［Ｒ］．北京：北京市水利勘察设计院，２００５．　［５］王志远．制冷原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．　［６］陈东，谢继红．热泵技术及其应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００５．　［７］ＧＢ／Ｔ　１９４０９—２００３，水源热泵机组［ｓ］．　［８］ＧＢ　５０３６６—２００５，地源热泵系统工程技术规范Ｅｓ］．　［９］姜周曙．制冷空调自动化［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，　２００９．　［１０］刘泽华，彭梦珑，周湘江．空调冷热源工程［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２００５．　［１１］王二英，刘伟．水源热泵建设项目水资源论证中有关问题的探　讨［Ｊ］．南水北调与水利科技，２００６，４（５）：５６　５８．　｜　ｉ　器　ｉ　南水北调　・１９・