中铁建办公楼地源热泵系统项目可行性研究报告(编辑修改稿)

中铁建办公楼地源热泵系统项目可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

10 ℃  冬季室外相对湿度 54％  冬季大气压力 102020 Pa  冬季室外平均风 速 m 济南 地区典型年的室外日平均温度，极值温度变化曲线见图 （数据来自建筑负荷计算软件 Dest 数据库）。 各天干球温度统计201001020304011 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121干球温度（℃）日平均温度( ℃) 日最高温度( ℃) 日最低温度( ℃) 图 济南 全年室外日平均温度、 极值温度变化曲线 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 14 室内 设计 计算参数 表 室内设计参数 房间名称 温度 ℃ 相对湿度 % 新风量 m3/(h人 ) 夏季 冬季 夏季 冬季 客 房 24~27 18~22 65 40 50 会议室 24~27 18~22 65 40 30~50 贵宾休息室 26 22 65 40 30 服务室 25 22 65 40 20 办公室 23~26 20~22 65 40 35~50 多功能厅 24 22 65 30 25 表 公共建筑节能设计标准 GB5018920xx 公共建筑 房间类型 照明功率密度 f1 (W/m2) 人均占有使用面积 m2/人 电气功率密度 f2 (W/m2) 办公建筑 普通办公室 11 4 20 高档办公室 18 8 13 设计室 18 8 13 会议室 11 5 走廊 5 50 0 其他 11 20 5 建筑负荷估算 建筑的冷、热负荷计 算是一切空调工程设计的基本依据。 由于本工程现阶段只是对地源热泵空调系统方案进行可行性论证，所以仅对该工程的冷热负荷进行简单估算，详细的全年逐时动态负荷计算在方案确定后的设计报告中给出。 由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准《居住建筑节能设计标准》中的各项规定，节能可达到 65%的要求，考虑一定的中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 15 安全余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为 75W/m2；冷负荷指标为105W/m2。 则该办公楼的 设计热负荷为 ， 冷负荷为。 冬季夏季运行天数分别按 120天和 90天计 ,对于办 公楼来说 冬季采暖 空调系统 每天运行时间取 10小时； 夏天制冷 空调系统每天平均运行时间取 8小时。 负荷指标在不同月份考虑一个不同的运行系数，则可粗略得到全年采暖与空调期累计建筑物、地下提取与释放的负荷。 估算中夏季热泵机组 COP值按 ，冬季 COP值按 4计算。 主要设备容量的选择 （ 1） 空调冷热负荷 建筑物的 设计 热负荷为 kW， 冷负荷为 kW。 考虑到该办公楼的同时使用系数为 ，则峰值热负荷为 KW，峰值冷负荷为 KW。 （ 2） 冷、热源 配置三台 地源热泵机组，每台机组制冷量为 1578KW、制热量：1725KW。 考虑到 该办公楼 的功用与特性 ，选用三台热泵机组，便于运行调节，有利于运行节能，降低运行费用。 夏季机组为制冷工况，提供冷冻水供、回水温度为 7℃ ～ 12℃ 的冷水；冬季机组为供热工况、提供采暖用热水，供回水温度为： 40℃ ～ 45℃。 根据建筑物的冷热负荷初步估算热泵机组的容量。 主要设备的选型见表 . 表 主要的设备设计容量 主要设备选型 名称 规格 数量 备注 地源热泵冷热水机组（冷媒为 134a） 制冷量： 1725KW； 制热量： 1578KW 3 台 为制冷工况、提供供、回水温度为 7℃ ～ 12℃ 的冷水； 为供热工况、提供供回水温度为： 40℃ ～ 45℃ 热水。 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 16 冷热水循环水泵 流量： 290m3/h 杨程： 28mH2O 4 台 三用一备 地埋管侧循环水泵 流量： 420m3/h 杨程： 28mH2O 4 台 三用一备 竖直地埋管 120m孔深， 760 个孔 91200m 不包括水平地埋管 及分集水器 （ 3） 地埋管方案 地埋管初步设计钻孔深 120m，钻孔 760个， 竖直 总埋管量为 91200m孔深。 根据地质及环境条件，确定采用竖埋管形式，钻孔孔 径 160mm，钻 孔 间距 5m，单 U形管，管径 De32mm。 为使地埋管之间容易达到水力平衡，地埋管换热器布置结构采用同程和对称布置形式。 按照每个钻孔占地下面积 25 m2计，约需埋管面积 19000 m2。 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 17 第 三 章 地源热泵空调技术 的适宜性 地源热泵空调系统 简介 地源热泵是一种利用大地作为冷热源的热泵，通过热泵机组对建筑物实现供暖，空调及提供生活用热水，见图。 地源热泵地上部分与普通热泵相同，所不同的是通过埋设在地下岩土中的地热换热器将热量释放给土壤或者从土壤中吸收热量。 从能量守恒的角度看，一个精心设计的地源热泵系统其 实是以大地作为蓄能器，在夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地下，冷却建筑物的同时储存了热量，以备冬季使用；冬季通过热泵将大地中的低位热能提升温度后对建筑物供热，同时将建筑物内的冷量储存在地下，以备夏季使用。 该技术提高了空调系统全年的能源利用效率，真正实现了可再生能源的良性生态合理地利用。 地下换热介质循环四通换向阀蒸发器/冷凝器循环水泵竖直埋管管井 地下换热管压力膨胀阀循环水泵空调末端装置供冷循环工作介质循环压缩机多通连接器冷凝器/蒸发器 图 地源热泵系统原理图 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 18 123465 1 土壤 热泵空调机组2 风机 盘管4 集 、分水器5 冷冻 水泵6 冷却 水泵土壤热泵加风机盘管空调系统流程图 图 地源热泵空调系统流程图 地源热泵系统具有如下特点： （ 1） 节能、运行费用低 较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。 地源热泵 可克服空气源热泵负荷需求越高，效率越低的技术障碍，显著提高效率。 高效率意味着消耗一次能源少，运行费用少。 （ 2） 环保、洁净 地源热泵系统的运行没有燃烧，没有排烟，大大降低了城镇的大气污染；据调研，由于需输入的少量的电能维持热泵运转，地源热泵由此产生的污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少 40％以上，比电供暖的减少 70％以上；地源热泵系统供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染，以及对大气产生的热岛效应。 同时去掉冷却塔使建筑周边环境更加洁净、优美。 节水省地的地源热泵系统以地下浅层地热能资源为冷、热源，向其吸收或排出热量，从而达到供暖或制冷的作用，既不消耗水资源，中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 19 也不会对其造成污染；地源热泵系统的地埋管可以直接布置在建筑物的地下空间中，不占使用面积。 （ 3） 一机多用 地源热泵系统可供热、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统；机组紧凑，节省建筑空间，可以灵活安装在任何地方，末端亦可做多种选择； （ 4） 运行可靠 机组的运行情况稳定，几乎不受天气及环境、温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜、除霜之虑；自动化程度高，系统由电脑控制，能够根据室外气温和室内气温自动调节运行，运行 管理可靠性高；无储煤、储油罐等卫生及火灾安全隐患；机组使用寿命长，主要零部件少，维护费用低，主机运行寿命可达到 15 年以上；机组自动控制程度高，可无人值守。 （ 5） 应用范围广 地源热泵系统利用地球表面浅层的地热能资源作为冷热源，进行供暖、空调。 地表浅层的地热能资源量大面广，无处不在，是一种清洁的可再生能源。 随着人们对能源危机和环保问题严峻性的认识的提高，地源热泵技术在我国建筑空调系统中将会发挥越来越重要的作用。 地源热泵在 本 项目中 应用的适宜性 地质条件 济南 地区属 岩石类水文地质构造地区 , 基岩 硬度 较 大 ,要用专门的金刚石牙钻 钻 孔 , 钻 孔难度 较 大。 但 由于 岩石层 具有较高的导热系数， 总钻孔量相应减少，总费用增加的幅度不会很大，因此该地区从地质条件分析可列为 地源热泵应用的适宜区。 现场地质状况是现场勘察的主要内容之一。 地质状况将决定使用何种钻孔、挖掘设备或安装成本的高低。 现场勘察 的详细 地质资料 见中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 20 附件。 在实际工程应用中，地源热泵技术的经济性与可操作性还取决于工程场地的地质构造，水文地质条件，工程施工条件等多种因素。 气候条件 济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，属于暖 温带半湿润大陆性季风气候。 其特点是季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季气温低，但无严寒。 年平均气温 ℃ ，极端气温最高 ℃ ，最低零下 ℃。 济南 地区建筑的年冷热负荷相差不大，采用地源热泵技术，可以基本实现夏季向地下蓄热，冬季从地下取热，地热换热器的冷热负荷全年比较均衡的技术要求，系统运行效率高，因此该地区是地源热泵技术应用的适宜区域。 建筑负荷特性 办公楼的 负荷变化 一般 比较缓慢， 在 济南 地区 气候条件下， 办公建筑 的空调 热负荷指标在 5881W/ m2， 冷 负荷指标为 92120 W/ m2。 由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准《 公共 建筑节能设计标准》中的各项规定，节能可达到 65%的要求，考虑一定的 安全 余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为 75W/m2；冷负荷指标为105W/m2。 节能 公共建筑单位建筑面积设计冷热负荷相对稳定 ，空调冷热负荷变化缓慢 ，且全年的累计冷热负荷相差不大，非常有利于地源热泵系统的运行。 这些负荷特点比较适宜地源热泵空调系统。 便于控制系统的初投资，系统运行稳定可靠。 地埋管所需空间 对于 高档 办公楼 ， 建筑容积率比较低。 建 筑主体 周边可用空地面积 较多 ， 可以用来埋管。 另一方面 可以充分利用建筑物的地下空间来设置地热换热器，减少对周边地表面积的利用。 初步估算本项目有足够空间埋设地埋管。 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 21 地源热泵系统的冷热平衡 由负荷计算结果知地下埋管全年冷热量不平衡率为 13%。 图 地源热泵系统运行 20年期间的循环液进出热泵的月平均温度变化曲线。 由图 1可以看出， 在运行一个采暖与空调周期后地下岩土温度变化幅度很小，但由于地埋管的年取热量略微大于年释热量，所以地下的温度变化总体上呈缓慢下降的趋势。 取距离周边钻孔 10m 远处的岩土温度作为钻孔群所处位置的岩土参考温度。 由图 可以看出，经过 20年的模拟运行之后，距离钻孔10m远处的 平均 岩土温度 仅仅比 初始温度的 16℃降低了约 1℃。 这说明地埋管在一年的运行周期内，向地下的散热量与从地下的取热量基本保持平衡，地下岩土温度 在一个 采暖与空调 周期后基本回复到初始温度 ，这就保证了系统的高效率运行。 值得注意的是， 即使设计工况为理想工况，即地下岩土的取热与散热在一个周期内达到平衡，但 在实际 运行 中， 地下岩土 的年吸、释热量并非要求绝对的平衡， 模拟设计结果表明 不平衡率在 177。 20%以内 是可以接受的。 当然，这种允许的不平衡率会随着不同地区和 岩土 的热物性 、地埋管换热器所在地点有无地下水流动及其流动特点 ，以及建筑物的冷热负荷变化 等因素有关，是因地而异的。 如果整个地埋管区域存在缓慢的地下水的渗透流动，则对地温的恢复有积极的影响。 可以通过埋地的温度传感器来监测地温变化情况，据此进行运行调节。 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 22 图 系统运行 20年的月温度变化模拟曲线 如上分析，本项目 在设计地源热泵系统时， 地下吸放热 的不平衡程度 不大。 为保证地源热泵系统在长期运 行 中能 高效运行 ，应减小冷热负荷的不平衡程度。 尽量保证在一个供暖空调运行周期内，地下散热取热达到 基本 平衡。 本项目 可 采用如下 措施 ： （ 1） 采取分户热计量，提高冬季采暖行为节能的自觉性，提高能源利用率，降低冬季负荷 ； （ 2） 适当增加夏季空调运行时间。 （ 3） 适当提高夏季热泵机组冷却水的进出水温度，增大释热量。 （ 4） 增大 埋管 间距 可适当地增加地埋管各钻孔之间的间距，降低埋管间的热干扰，增大蓄热体， 有利于地埋管 从 周围岩土 中 的 提取热量。 中铁建办公楼地源热泵系统可行性研究报告 山东建筑大学地源热泵研究所 23 （ 5） 间歇运行，有利于地温的恢复 在 冬季气温较高时 ，可以间歇性地 运行或停止部分 热泵机组 ， 使地下岩土 蓄热体 有 较长地 温 恢复 时间，提高换热温差，延长系统在高效率点的运行时间。 地源热泵空调全寿命周期技术经济分析 与 常用空调系统 的 运行费 比较 根据该建筑的市政资源条件、场地条件、建筑功能及负荷特点，有可能适合本项目的冷热源方案主要有： (1) 地源热泵 (2) 冷水机组与锅炉配套 (3) 冷水机组与城市热网配套 设定 采暖 期 均按 120 天 计 ， 根据统计资料，大致 把整个采暖期划分为 5 个 负荷 系数 ： 、 、 、 和 1， 对应的运行时间 分别 为10 天、 30 天、 40 天、 30 天和 10 天， 夏季制冷 期 均按 90 天 计算。 表 冷热源系统运行费用比较 冷热。