【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 濟(jì)南 全年室外日平均溫度、 極值溫度變化曲線 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 14 室內(nèi) 設(shè)計(jì) 計(jì)算參數(shù) 表 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) 房間名稱 溫度 ℃ 相對(duì)濕度 % 新風(fēng)量 m3/(h人 ) 夏季 冬季 夏季 冬季 客 房 24~27 18~22 65 40 50 會(huì)議室 24~27 18~22 65 40 30~50 貴賓休息室 26 22 65 40 30 服務(wù)室 25 22 65 40 20 辦公室 23~26 20~22 65 40 35~50 多功能廳 24 22 65 30 25 表 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB501892021 公共建筑 房間類型 照明功率密度 f1 (W/m2) 人均占有使用面積 m2/人 電氣功率密度 f2 (W/m2) 辦公建筑 普通辦公室 11 4 20 高檔辦公室 18 8 13 設(shè)計(jì)室 18 8 13 會(huì)議室 11 5 走廊 5 50 0 其他 11 20 5 建 筑負(fù)荷估算 建筑的冷、熱負(fù)荷計(jì)算是一切空調(diào)工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。由于本工程現(xiàn)階段只是對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案進(jìn)行可行性論證，所以僅對(duì)該工程的冷熱負(fù)荷進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，詳細(xì)的全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算在方案確定后的設(shè)計(jì)報(bào)告中給出。 由于本工程建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)已符合山東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的各項(xiàng)規(guī)定，節(jié)能可達(dá)到 65%的要求，考慮一定的中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 15 安全余量，現(xiàn)估算建筑物的平均熱負(fù)荷指標(biāo)為 75W/m2；冷負(fù)荷指標(biāo)為105W/m2 。 則 該 辦公 樓的 設(shè)計(jì) 熱負(fù) 荷為 ， 冷 負(fù) 荷為。冬季夏季運(yùn)行天數(shù)分 別按 120天和 90天計(jì) ,對(duì)于辦公樓來說 冬季采暖 空調(diào)系統(tǒng) 每天運(yùn)行時(shí)間取 10小時(shí)； 夏天制冷 空調(diào)系統(tǒng)每天平均運(yùn)行時(shí)間取 8小時(shí)。負(fù)荷指標(biāo)在不同月份考慮一個(gè)不同的運(yùn)行系數(shù)，則可粗略得到全年采暖與空調(diào)期累計(jì)建筑物、地下提取與釋放的負(fù)荷。估算中夏季熱泵機(jī)組 COP值按 ，冬季 COP值按 4計(jì)算。 主要設(shè)備容量的選擇 （ 1） 空調(diào)冷熱負(fù)荷 建筑物的 設(shè)計(jì) 熱負(fù)荷為 kW， 冷負(fù)荷為 kW。 考慮到該辦公樓的同時(shí)使用系數(shù)為 ，則峰值熱負(fù)荷為 KW，峰值冷負(fù)荷為 KW。 （ 2） 冷、熱源 配置三臺(tái)地源熱泵機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組制冷量為 1578KW、制熱量：1725KW?？紤]到 該辦公樓 的功用與特性 ，選用三臺(tái)熱泵機(jī)組，便于運(yùn)行調(diào)節(jié)，有利于運(yùn)行節(jié)能，降低運(yùn)行費(fèi)用。夏季機(jī)組為制冷工況，提供冷凍水供、回水溫度為 7℃ ～ 12℃ 的冷水；冬季機(jī)組為供熱工況、提供采暖用熱水，供回水溫度為： 40℃ ～ 45℃ 。 根據(jù)建筑物的冷熱負(fù)荷初步估算熱泵機(jī)組的容量。主要設(shè)備的選型見表 . 表 主要的設(shè)備設(shè)計(jì)容量 主要設(shè)備選型 名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注 地源熱泵冷熱水機(jī)組（冷媒為 134a） 制冷量： 1725KW； 制熱量： 1578KW 3 臺(tái) 為制冷工況、提供供、回水溫度為 7℃ ～ 12℃ 的冷水； 為供熱工況、提供供回水溫度為： 40℃ ～ 45℃ 熱水。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 16 冷熱水循環(huán)水泵 流量： 290m3/h 楊程： 28mH2O 4 臺(tái) 三用一備 地埋管側(cè)循環(huán)水泵 流量： 420m3/h 楊程： 28mH2O 4 臺(tái) 三用一備 豎直地埋管 120m 孔深， 760 個(gè)孔 91200m 不包括水平地埋管 及分集水器 （ 3） 地埋管方案 地埋管初步設(shè)計(jì)鉆孔深 120m，鉆孔 760個(gè)， 豎直 總埋管量為 91200m孔深 。 根據(jù)地質(zhì)及環(huán)境條件，確定采用豎埋管 形式，鉆孔孔 徑 160mm，鉆 孔間距 5m，單 U形管，管徑 De32mm。為使地埋管之間容易達(dá)到水力平衡，地埋管換熱器布置結(jié)構(gòu)采用同程和對(duì)稱布置形式 。 按照每個(gè)鉆孔占地下面積 25 m2計(jì)，約需埋管面積 19000 m2。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 17 第 三 章 地源熱泵空調(diào)技術(shù) 的適宜性 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 地源熱泵是一種利用大地作為冷熱源的熱泵，通過熱泵機(jī)組對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)供暖，空調(diào)及提供生活用熱水，見圖 。地源熱泵地上部分與普通熱泵相同，所不同的是通過埋設(shè)在地下巖土中的地?zé)釗Q熱器將熱量釋放給土壤或者從土壤中吸收熱量。從能量守恒的角度看 ，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的地源熱泵系統(tǒng)其實(shí)是以大地作為蓄能器，在夏季通過熱泵機(jī)組將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，冷卻建筑物的同時(shí)儲(chǔ)存了熱量，以備冬季使用；冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提升溫度后對(duì)建筑物供熱，同時(shí)將建筑物內(nèi)的冷量儲(chǔ)存在地下，以備夏季使用。該技術(shù)提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率，真正實(shí)現(xiàn)了可再生能源的良性生態(tài)合理地利用。 地下?lián)Q熱介質(zhì)循環(huán)四通換向閥蒸發(fā)器/冷凝器循環(huán)水泵豎直埋管管井 地下?lián)Q熱管壓力膨脹閥循環(huán)水泵空調(diào)末端裝置供冷循環(huán)工作介質(zhì)循環(huán)壓縮機(jī)多通連接器冷凝器/蒸發(fā)器 圖 地源熱泵系統(tǒng)原理圖 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 18 123465 1 土壤熱泵空調(diào)機(jī)組2 風(fēng)機(jī)盤管4 集、分水器5 冷凍水泵6 冷卻水泵土壤熱泵加風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)流程圖 圖 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)流程圖 地源熱泵系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： （ 1） 節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低 較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度， 又低于夏季的室外溫度。地源熱泵可克服空氣源熱泵負(fù)荷需求越高，效率越低的技術(shù)障礙，顯著提高效率。高效率意味著消耗一次能源少，運(yùn)行費(fèi)用少。 （ 2） 環(huán)保、潔凈 地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行沒有燃燒，沒有排煙，大大降低了城鎮(zhèn)的大氣污染；據(jù)調(diào)研，由于需輸入的少量的電能維持熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)，地源熱泵由此產(chǎn)生的污染物排放量，比空氣源熱泵的排放量減少 40％以上，比電供暖的減少 70％以上；地源熱泵系統(tǒng)供冷時(shí)省去了冷卻塔，避免了冷卻塔噪音及霉菌污染，以及對(duì)大氣產(chǎn)生的熱島效應(yīng)。同時(shí)去掉冷卻塔使建筑周邊環(huán)境更加潔凈、優(yōu)美。 節(jié)水省地的地源熱泵系統(tǒng)以地 下淺層地?zé)崮苜Y源為冷、熱源，向其吸收或排出熱量，從而達(dá)到供暖或制冷的作用，既不消耗水資源，中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 19 也不會(huì)對(duì)其造成污染；地源熱泵系統(tǒng)的地埋管可以直接布置在建筑物的地下空間中，不占使用面積。 （ 3） 一機(jī)多用 地源熱泵系統(tǒng)可供熱、空調(diào)，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)；機(jī)組緊湊，節(jié)省建筑空間，可以靈活安裝在任何地方，末端亦可做多種選擇； （ 4） 運(yùn)行可靠 機(jī)組的運(yùn)行情況穩(wěn)定，幾乎不受天氣及環(huán)境、溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會(huì)衰減，更無結(jié)霜、除霜之慮；自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)由電腦控制，能夠根據(jù)室外氣 溫和室內(nèi)氣溫自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，運(yùn)行管理可靠性高；無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及火災(zāi)安全隱患；機(jī)組使用壽命長，主要零部件少，維護(hù)費(fèi)用低，主機(jī)運(yùn)行壽命可達(dá)到 15 年以上；機(jī)組自動(dòng)控制程度高，可無人值守。 （ 5） 應(yīng)用范圍廣 地源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層的地?zé)崮苜Y源作為冷熱源，進(jìn)行供暖、空調(diào)。地表淺層的地?zé)崮苜Y源量大面廣，無處不在，是一種清潔的可再生能源。隨著人們對(duì)能源危機(jī)和環(huán)保問題嚴(yán)峻性的認(rèn)識(shí)的提高，地源熱泵技術(shù)在我國建筑空調(diào)系統(tǒng)中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。 地源熱泵在 本 項(xiàng)目中 應(yīng)用的適宜性 地質(zhì)條件 濟(jì)南 地區(qū)屬 巖石類水文地質(zhì)構(gòu)造地區(qū) , 基巖硬度 較 大 ,要用專門的金剛石牙鉆 鉆 孔 , 鉆 孔難度 較 大 。但 由于 巖石層 具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)， 總鉆孔量相應(yīng)減少，總費(fèi)用增加的幅度不會(huì)很大，因此該地區(qū)從地質(zhì)條件分析可列為 地源熱泵應(yīng)用的適宜區(qū)。 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況是現(xiàn)場(chǎng)勘察的主要內(nèi)容之一。地質(zhì)狀況將決定使用何種鉆孔、挖掘設(shè)備或安裝成本的高低?，F(xiàn)場(chǎng)勘察 的詳細(xì) 地質(zhì)資料 見中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 20 附件。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與可操作性還取決于工程場(chǎng)地的地質(zhì)構(gòu)造，水文地質(zhì)條件，工程施工條件等多種因素。 氣候條件 濟(jì)南地處中緯度地帶，由于受太陽輻射、大 氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。其特點(diǎn)是季風(fēng)明顯，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季較為清爽，冬季氣溫低，但無嚴(yán)寒。年平均氣溫 ℃ ，極端氣溫最高 ℃ ，最低零下 ℃ 。 濟(jì)南 地區(qū)建筑的年冷熱負(fù)荷相差不大，采用地源熱泵技術(shù)，可以基本實(shí)現(xiàn)夏季向地下蓄熱，冬季從地下取熱，地?zé)釗Q熱器的冷熱負(fù)荷全年比較均衡的技術(shù)要求，系統(tǒng)運(yùn)行效率高，因此該地區(qū)是地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的適宜區(qū)域。 建筑負(fù)荷特性 辦公樓的 負(fù)荷變化 一般 比較緩慢， 在 濟(jì)南 地區(qū) 氣候條件下， 辦公建筑 的空調(diào) 熱負(fù)荷 指標(biāo)在 5881W/ m2， 冷負(fù)荷指標(biāo)為 92120 W/ m2 。由于本工程建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)已符合山東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《 公共 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的各項(xiàng)規(guī)定，節(jié)能可達(dá)到 65%的要求，考慮一定的 安全 余量，現(xiàn)估算建筑物的平均熱負(fù)荷指標(biāo)為 75W/m2；冷負(fù)荷指標(biāo)為105W/m2。 節(jié)能 公共建筑單位建筑面積設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定 ，空調(diào)冷熱負(fù)荷變化緩慢 ，且全年的累計(jì)冷熱負(fù)荷相差不大，非常有利于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行 。這些負(fù)荷特點(diǎn)比較適宜地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。便于控制系統(tǒng)的初投資，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 地埋管所需空間 對(duì)于 高 檔 辦公樓 ， 建筑容積率比較低。 建筑主體 周邊可用空地面積 較多 ， 可以用來埋管。另一方面 可以充分利用建筑物的地下空間來設(shè)置地?zé)釗Q熱器，減少對(duì)周邊地表面積的利用。 初步估算本項(xiàng)目有足夠空間埋設(shè)地埋管。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 21 地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡 由負(fù)荷計(jì)算結(jié)果知地下埋管全年冷熱量不平衡率為 13%。 圖 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行 20年期間的循環(huán)液進(jìn)出熱泵的月平均溫度變化曲線。由圖 1可以看出， 在運(yùn)行一個(gè)采暖與空調(diào)周期后地下巖土溫度變化幅度很小，但由于地埋管的年取熱量略微大于年釋熱量，所以地下的溫度變化總體上呈緩慢下降的趨勢(shì)。 取距離周邊鉆孔 10m 遠(yuǎn)處的巖土溫度作為鉆孔群所處位置的巖土參考溫度。由圖 可以看出，經(jīng)過 20年的模擬運(yùn)行之后，距離鉆孔10m遠(yuǎn)處的 平均 巖土溫度 僅僅比 初始溫度的 16℃降低了約 1℃。這說明地埋管在一年的運(yùn)行周期內(nèi)，向地下的散熱量與從地下的取熱量基本保持平衡，地下巖土溫度 在一個(gè) 采暖與空調(diào) 周期后基本回復(fù)到初始溫度 ，這就保證了系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。 值得注意的是， 即使設(shè)計(jì)工況為理想工況，即地下巖土的取熱與散熱在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到平衡，但 在實(shí)際 運(yùn)行 中， 地下巖土 的年吸、釋熱量并非要求絕對(duì)的平衡， 模擬設(shè)計(jì)結(jié)果表明 不平衡率在 177。20%以內(nèi) 是可以接受的 。當(dāng)然，這種允許的不平衡率會(huì)隨著不同地區(qū)和 巖土 的熱物性 、地埋管換熱器所在地點(diǎn)有無地下水流動(dòng)及其流動(dòng)特點(diǎn) ，以及建筑物的冷熱負(fù)荷變化 等因素有關(guān)，是因地而異的。如果整個(gè)地埋管區(qū)域存在緩慢的地下水的滲透流動(dòng)，則對(duì)地溫的恢復(fù)有積極的影響?？梢酝ㄟ^埋地的溫度傳感器來監(jiān)測(cè)地溫變化情況，據(jù)此進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 22 圖 系統(tǒng)運(yùn)行 20年的月溫度變化模擬曲線 如上分析，本項(xiàng)目 在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時(shí)， 地下吸放熱 的不平衡程度 不大。為保證地源熱泵系統(tǒng)在長期運(yùn) 行 中能 高效運(yùn)行 ，應(yīng)減小冷熱負(fù)荷的不平衡程度。 盡量保證在一個(gè)供暖空調(diào)運(yùn)行周期內(nèi)，地下散熱取熱達(dá)到 基本 平衡。 本項(xiàng)目 可 采用如下 措施 ： （ 1） 采取分戶熱計(jì)量，提高冬季采暖行為節(jié)能的自覺性，提高能源利用率，降低冬季負(fù)荷 ； （ 2） 適當(dāng)增加夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間 。 （ 3） 適當(dāng)提高夏季熱泵機(jī)組冷卻水的進(jìn)出水溫度，增大釋熱量。 （ 4） 增大 埋管 間距 可適當(dāng)?shù)卦黾拥芈窆芨縻@孔之間的間距，降低埋管間的熱干擾，增大蓄熱體， 有利于地埋管 從 周圍巖土 中 的 提取熱量 。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報(bào)告 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 23 （ 5） 間歇運(yùn)行，有利于地溫的恢復(fù) 在 冬季氣溫較高時(shí) ，可以間歇性地 運(yùn)行或停止部分 熱泵機(jī)組 ， 使地下巖土 蓄熱體 有 較長地 溫 恢復(fù) 時(shí)間，提高換熱溫差，延長系統(tǒng)在高效率點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間。 地源熱泵空調(diào)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 與 常用空調(diào)系統(tǒng) 的 運(yùn)行費(fèi) 比較 根據(jù)該建筑的市政資源條件、場(chǎng)地條件、建筑功能及負(fù)荷特點(diǎn)，有可能適合本項(xiàng)目的冷熱源方案主要有： (1) 地源熱泵 (2) 冷水機(jī)組與鍋爐配套 (3) 冷水機(jī)組與城市熱網(wǎng)配套 設(shè)定 采暖 期 均按 120 天 計(jì) ， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，大致 把整個(gè)采暖期劃分為 5 個(gè) 負(fù)荷 系數(shù) ： 、 、 、 和 1， 對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間 分別 為10 天、 30 天、 40 天、 30 天和 10 天， 夏季制冷 期 均按 90 天 計(jì)算 。 表 冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較 冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 方案一 方案二 方案三 地源熱泵 冷水機(jī)組與 燃?xì)忮仩t配套 冷水機(jī)組與 城市熱網(wǎng)配套 季節(jié) 夏季 冬季 夏季 冬季 夏季 冬季 能源形式 電 電 天然氣 電 供熱網(wǎng) 單 位 h?kw h?kw m3 h?kw /m2 季 價(jià)格（元） 0． 55 負(fù)荷 累計(jì) 2663966 3061210 26