天津奥林匹克体育中心B馆改造项目地下储能系统

1天津奥林匹克体育中心B馆改造项目地下储能系统采用水源热泵的可行性分析天津克莱门特热泵空调有限公司2011年2月2一、项目概况及任务的由来（1）改造项目概况天津体育馆位于南开区宾水西道，建成年于1994年，天津人习惯称之为大馆，是一座具有国际标准的多功能综合型体育馆，属于天津市体育中心的一期工程，是一个集体育比赛、文艺演出、大型展览、全民健身于一体的多功能建筑群。天津体育馆主要由主馆、副馆（B馆）、练习馆、综合服务区和体育宾馆五部分组成。占地面积12.23公顷，建筑面积5.4万平方米，其中主馆建筑面积2.5万平方米，可容纳10000名观众，副馆建筑面积5400平方米，有2500个观众席，练习馆建筑面积1200平方米。三个馆面积广阔，灯光、音响、通讯设施齐全，电视转播系统、大型彩色显示屏、文字屏和计算机系统等硬件设施齐全，新闻发布厅、技术代表室、裁判休息室和运动员更衣室、媒体工作室等重要的房间宽敞明亮。综合服务区建筑面积2572平方米，内设银行、邮政、商务中心、体育商城等服务项目。体育宾馆为涉外三星级宾馆，建筑面积1.1万平方米，客房106套，设有中西餐厅和各种康复、运动和娱乐设施。作为具有国际标准的多功能综合型体育馆，天津体育中心曾经举办过多项国际性赛事，主要包括1995年第43届乒乓球锦标赛，1999年第34届体操世锦赛，2009年男篮亚锦赛，给国内外各界人士留下了极为深刻的印象和一致好评。奥运会大型体育设施的闲置和利用已成为世界性课题，天津作为第29届奥运会协办城市，市委、市政府领导十分关注奥运场馆的赛后综合利用，3天津体育馆B馆及其连接体屋顶破漏、设备老化、墙体脱落，已多年闲置。就天津奥林匹克中心体育服务集聚区开发项目情况苟利军、张俊芳同志召集市发改委、市商务委、市建交委、市容园林委、市规划局、市国土房管局以及市水务局等近二十个委、办、局及有关单位的负责同志进行了专题研究。据此，市政府办公厅编写了“情况专报”上报黄兴国市长。我市奥林匹克中心体育服务集聚区开发项目业经第33次市长办公会、第32次政府常务会审议通过，其中对天津体育馆B馆的综合利用，通过招商引资，将其改造开发为集体育、餐饮、娱乐、旅游等于一体的“不夜津城”。由天津农垦集团总公司及其所属的天津农垦文化产业投资有限公司进行投资开发。（2）可行性分析任务的由来为了节约能源、保护环境、降低运行费用，改造项目设计拟在B馆及其连接体的中央空调系统中采用地下储能技术。该项技术涉及到地下水开采与回灌。需进行取用地下水的水资源论证，受天津农垦文化产业投资有限公司委托天津紫川科技开发有限公司承接该改造项目的水资源论证工作。多年开展地下储能工作的实践，使我们认识到要充分发挥储能系统的效能，必须重视几个环节工作，一是要做好工程建设的前期工作——水资源论证；二是重视储能系统建设中的采灌井的井型设计与施工、水运行系统的封闭性以及水源热泵的选型及运行方式；三是加强系统建设和运行过程的管理，建设期应重视工程的施工监理，确保工程质量达到设计要求，运行期能正常运行，特别是保证地下水量和冷热能的采补平衡等。而水源热泵选型的正确和运行方式的安排是极为重要的技术环节，是保障储能系统正常运行的关键。为此，天津紫川科技开发有限公司委托天津克莱门特热泵空调有限公司就此技术在天津体育馆B馆改造工程中央空调系统中采用的可行性进行分析。4二、水源热泵介绍在商业建筑房及其它建筑内,冬季采暖和夏季制冷是必须的。以往，多为双系统解决采暖和制冷，即冬季燃煤锅炉供暖或利用发电余热集中供热。夏季则采用水冷、风冷中央空调机组或家用小型空调来解决制冷。水源热泵是一种利用地下浅层地热资源或提取、存储大气层冷热能的重要设备，既可供热又可制冷的高效节能空调系统，或者称为可以通过冷凝器进行采暖制冷的机组。该系统通过输入少量高品位的电能，实现低温位热能向高温位转移。由于浅层地下水的温度基本是恒定的，在冬季作为供暖的热源；在夏季又可作为制冷的冷源。通常水源热泵消耗lkW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。地下含水层可以储存冷热能源，地下水是冷热能源的载体，可视作一种清洁能源。这种技术和设备在我国得到迅速的发展。电采暖的输入能源与效率比值（COP）为1，即输入1KW电，可获得1KW热量，燃料锅炉供热系统，只能将90%以上的电能或70～90%的燃料热能转化为热量，COP都将低于1。水源热泵的COP可达4.4～5.4，即输入1KW电，可获得4.4～5.4KW的热量。比电锅炉节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。与传统的空气源热泵相比，效率要高出40%左右，制冷时其运行费用为普通中央空调的50～60%，与风冷民用家用小型空调相比，制冷时节约运行费用60～70%。水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管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。（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中的系统又称海水源热泵）。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。5与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90～98%的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，水源热泵作为一种被国家计委、国家科委、建设部列入“十·五”规划的新技术，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。三、水源热泵的特点就天津地区而言，由于水源热泵技术主要利用地下水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点：（1）属可再生能源利用技术水源热泵技术是清洁的、可再生能源的利用的新技术。（2）高效节能水源热泵机组可利用的水体温度冬季为20℃左右，冬季水温比环境温度高，所以蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18℃左右，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。（3）运行稳定可靠水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的6热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜和低温难启动等问题。（4）环境效益显著水源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源。设计良好的水源热泵系统的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上。水源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。（5）一机多用，应用范围广水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。（6）自动运行意大利克莱门特水源热泵机组由于采用计算机实时闭环控制，机组运行可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到25年以上。四、系统设计（1）改造项目规模及用途B馆及其连接体原有建筑面积9000㎡，进行全面升级改造，内部改造内容是将B馆由原一层改建成两层建筑（局部三层），改建后的建筑面积增至15366㎡。改造方案为在原工程主体结构不动的前提下，对其内部进行改造，包括本项目7所涵盖的全部建筑物的建筑、结构、给排水、消防、采暖通风与空气调节和电气设计，结构体系采用钢结构和钢筋混凝土形成。新建主体结构与与原结构分缝脱开，原建筑层高为13.2m，改造后一层层高5.2m，二层层高7.8m。为了配合经营需要，以解决垂直交通及运输问题，前厅部位增设自动扶梯2部、无障碍直梯1部。增加后的内部面积，严格按照市消防局管理规定增设消防设施、消防分区及宽度均满足规范要求疏散通道。改造后的内部建筑面积及用途为：一层建筑面积9566㎡，层高5.2米，一层（及三层）用途：①办公区1000㎡②体育运动用品超市3000㎡③运动餐饮2600㎡④高档商品超市2966㎡二层建筑面积5800㎡，层高7.8米二层用途：影剧院（2）系统设计原则①热负荷按100w/m2设计，冷负荷按208w/m2设计；②按热负荷计算井需水量，按冷负荷选择机组；③制冷工况冷却水不足部分采用冷却塔解决。（3）机组选择设计总冷负荷3200KW，总热负荷1537KW,其中热泵机组2000KW制冷量所需冷却水由井水承担，1200KW制冷量所需冷却水由冷却塔承担。设计总热负荷1537KW。选定使用意大利克莱门特水源热泵机组2台及冷水机组1台。8热泵机组型号为PHRHH2702，热泵机组制热量为1170.7KW，制冷量为1103.5KW；冷水机组型号为STAR3302，机组制冷量1048.8KW，选择CDPNL3—250冷却塔1台（t=27℃,Δt=5℃,流量=250m3/h）。（4）运行方式该项目设计总冷负荷3200KW，总热负荷1537KW，考虑到即满足设计要求，又要满足地下储能冷/热量释放和提取平衡的原则，故系统设计采用制热优先设计井的数量，热泵系统总制冷量2200KW，总制热量1537KW，减少了投资和运行费用。系统采用热泵机组与冷水机组混合方式，冬季两台热泵机组采用并联方式，单机提取温差Δt=18℃；制冷工况两台热泵机组冷凝器串联，蒸发器并联，由井水释放热量，单机释放温差Δt=12℃，双机串联释放温差Δt=24℃，系统制冷量不足部分由冷水机组解决，采用冷却塔方式释放热量。水源热泵系统流程图如下：井集/分水器1（）补水箱市政自来水恒压变频补水泵3级补水泵：3KW流量：9m/h扬程：45米系统循环备用泵流量开关蒸发器冷凝器清洗系统专用阀井集/分水器2（）1冷凝器2702蒸发器过滤器工程项目工程名称图名日期图号分号工号制图设计校正审核体育中心馆改造项目水源热泵天津克莱门特热泵空调有限公司2010.12电磁安全阀变频远传DN80DN80DN200DN40（制冷开制热开制热开制冷开制热开21c0021c31c0INOUT二用一备）制热开DN80DN80过滤器041c31c0过滤器流量开关过滤器过滤器一用一备）冷却塔循环泵注：1.制热工况：井1井2取水，井3井4退水；制冷工况：井3井4取水，井1井2退水；2.红线表示制冷工况井水流通方向。3.系统采用2台PSRHH1002热泵机组和1台CSRH3302冷水机组，热泵机组制冷工况采用闭式水源方式双机串联，冷水机组采用冷却塔冷却方式；4.冷却塔液位阀安装在冷却塔接水盘内，由液位阀控制市政自来水自动补水。制冷开清洗开井1井2井3井42702蒸发器冷凝器制冷开制冷开制热开制冷开制热开流量开关制冷开（）2（冷却塔水源热泵系统流程图级精密过滤器INOUTINOUTOUTININOUTOUTIN水源热泵系统流程图流量开关流量开关流量开关开开关关关关开开五、经济效益分析（1）运行费用①采暖运行费用（120天）9机组：1元×（1537KW÷4.57）×10小时×120天×0.5（运行系数）=201794元循环泵运行费用：1元×（22KW×2台）×10小时×120天=52800元潜水泵运行费用：1元×（28KW×2台）×10小时×120天=67200元全年采暖运行费：201794元＋52800元＋