【文章內(nèi)容簡介】 10 ℃ ? 冬季室外相對濕度 54％ ? 冬季大氣壓力 102020 Pa ? 冬季室外平均風 速 m 濟南 地區(qū)典型年的室外日平均溫度，極值溫度變化曲線見圖 （數(shù)據(jù)來自建筑負荷計算軟件 Dest 數(shù)據(jù)庫）。 各天干球溫度統(tǒng)計201001020304011 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121干球溫度（℃）日平均溫度( ℃) 日最高溫度( ℃) 日最低溫度( ℃) 圖 濟南 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)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 14 室內(nèi) 設(shè)計 計算參數(shù) 表 室內(nèi)設(shè)計參數(shù) 房間名稱 溫度 ℃ 相對濕度 % 新風量 m3/(h人 ) 夏季 冬季 夏季 冬季 客 房 24~27 18~22 65 40 50 會議室 24~27 18~22 65 40 30~50 貴賓休息室 26 22 65 40 30 服務室 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)計標準 GB5018920xx 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)計室 18 8 13 會議室 11 5 走廊 5 50 0 其他 11 20 5 建筑負荷估算 建筑的冷、熱負荷計 算是一切空調(diào)工程設(shè)計的基本依據(jù)。由于本工程現(xiàn)階段只是對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案進行可行性論證，所以僅對該工程的冷熱負荷進行簡單估算，詳細的全年逐時動態(tài)負荷計算在方案確定后的設(shè)計報告中給出。 由于本工程建筑的節(jié)能設(shè)計已符合山東省工程建設(shè)標準《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的各項規(guī)定，節(jié)能可達到 65%的要求，考慮一定的中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 15 安全余量，現(xiàn)估算建筑物的平均熱負荷指標為 75W/m2；冷負荷指標為105W/m2 。 則該辦公樓的 設(shè)計熱負荷為 ， 冷負荷為。冬季夏季運行天數(shù)分別按 120天和 90天計 ,對于辦 公樓來說 冬季采暖 空調(diào)系統(tǒng) 每天運行時間取 10小時； 夏天制冷 空調(diào)系統(tǒng)每天平均運行時間取 8小時。負荷指標在不同月份考慮一個不同的運行系數(shù)，則可粗略得到全年采暖與空調(diào)期累計建筑物、地下提取與釋放的負荷。估算中夏季熱泵機組 COP值按 ，冬季 COP值按 4計算。 主要設(shè)備容量的選擇 （ 1） 空調(diào)冷熱負荷 建筑物的 設(shè)計 熱負荷為 kW， 冷負荷為 kW。 考慮到該辦公樓的同時使用系數(shù)為 ，則峰值熱負荷為 KW，峰值冷負荷為 KW。 （ 2） 冷、熱源 配置三臺 地源熱泵機組，每臺機組制冷量為 1578KW、制熱量：1725KW。考慮到 該辦公樓 的功用與特性 ，選用三臺熱泵機組，便于運行調(diào)節(jié)，有利于運行節(jié)能，降低運行費用。夏季機組為制冷工況，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)建筑物的冷熱負荷初步估算熱泵機組的容量。主要設(shè)備的選型見表 . 表 主要的設(shè)備設(shè)計容量 主要設(shè)備選型 名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注 地源熱泵冷熱水機組（冷媒為 134a） 制冷量： 1725KW； 制熱量： 1578KW 3 臺 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)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 16 冷熱水循環(huán)水泵 流量： 290m3/h 楊程： 28mH2O 4 臺 三用一備 地埋管側(cè)循環(huán)水泵 流量： 420m3/h 楊程： 28mH2O 4 臺 三用一備 豎直地埋管 120m孔深， 760 個孔 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)計鉆孔深 120m，鉆孔 760個， 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到水力平衡，地埋管換熱器布置結(jié)構(gòu)采用同程和對稱布置形式 。 按照每個鉆孔占地下面積 25 m2計，約需埋管面積 19000 m2。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 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，通過熱泵機組對建筑物實現(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)在地下巖土中的地熱換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，一個精心設(shè)計的地源熱泵系統(tǒng)其 實是以大地作為蓄能器，在夏季通過熱泵機組將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，冷卻建筑物的同時儲存了熱量，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建筑物供熱，同時將建筑物內(nèi)的冷量儲存在地下，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)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 18 123465 1 土壤 熱泵空調(diào)機組2 風機 盤管4 集 、分水器5 冷凍 水泵6 冷卻 水泵土壤熱泵加風機盤管空調(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： （ 1） 節(jié)能、運行費用低 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，運行費用少。 （ 2） 環(huán)保、潔凈 地源熱泵系統(tǒng)的運行沒有燃燒，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)供冷時省去了冷卻塔，避免了冷卻塔噪音及霉菌污染，以及對大氣產(chǎn)生的熱島效應。同時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)以地下淺層地熱能資源為冷、熱源，向其吸收或排出熱量，從而達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)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 19 也不會對其造成污染；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） 一機多用 地源熱泵系統(tǒng)可供熱、空調(diào)，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統(tǒng)；機組緊湊，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） 運行可靠 機組的運行情況穩(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衰減，更無結(jié)霜、除霜之慮；自動化程度高，系統(tǒng)由電腦控制，能夠根據(jù)室外氣溫和室內(nèi)氣溫自動調(diào)節(jié)運行，運行 管理可靠性高；無儲煤、儲油罐等衛(wèi)生及火災安全隱患；機組使用壽命長，主要零部件少，維護費用低，主機運行壽命可達到 15 年以上；機組自動控制程度高，可無人值守。 （ 5） 應用范圍廣 地源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層的地熱能資源作為冷熱源，進行供暖、空調(diào)。地表淺層的地熱能資源量大面廣，無處不在，是一種清潔的可再生能源。隨著人們對能源危機和環(huán)保問題嚴峻性的認識的提高，地源熱泵技術(shù)在我國建筑空調(diào)系統(tǒng)中將會發(fā)揮越來越重要的作用。 地源熱泵在 本 項目中 應用的適宜性 地質(zhì)條件 濟南 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 具有較高的導熱系數(shù)， 總鉆孔量相應減少，總費用增加的幅度不會很大，因此該地區(qū)從地質(zhì)條件分析可列為 地源熱泵應用的適宜區(qū)。 現(xiàn)場地質(zhì)狀況是現(xiàn)場勘察的主要內(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)場勘察 的詳細 地質(zhì)資料 見中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 20 附件。 在實際工程應用中，地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟性與可操作性還取決于工程場地的地質(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氣候。其特點是季風明顯，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，但無嚴寒。年平均氣溫 ℃ ，極端氣溫最高 ℃ ，最低零下 ℃ 。 濟南 地區(qū)建筑的年冷熱負荷相差不大，采用地源熱泵技術(shù)，可以基本實現(xiàn)夏季向地下蓄熱，冬季從地下取熱，地熱換熱器的冷熱負荷全年比較均衡的技術(shù)要求，系統(tǒng)運行效率高，因此該地區(qū)是地源熱泵技術(shù)應用的適宜區(qū)域。 建筑負荷特性 辦公樓的 負荷變化 一般 比較緩慢， 在 濟南 地區(qū) 氣候條件下， 辦公建筑 的空調(diào) 熱負荷指標在 5881W/ m2， 冷 負荷指標為 92120 W/ m2 。由于本工程建筑的節(jié)能設(shè)計已符合山東省工程建設(shè)標準《 公共 建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的各項規(guī)定，節(jié)能可達到 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荷指標為 75W/m2；冷負荷指標為105W/m2。 節(jié)能 公共建筑單位建筑面積設(shè)計冷熱負荷相對穩(wěn)定 ，空調(diào)冷熱負荷變化緩慢 ，且全年的累計冷熱負荷相差不大，非常有利于地源熱泵系統(tǒng)的運行 。這些負荷特點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)運行穩(wěn)定可靠。 地埋管所需空間 對于 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)置地熱換熱器，減少對周邊地表面積的利用。 初步估算本項目有足夠空間埋設(shè)地埋管。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 21 地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡 由負荷計算結(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)運行 20年期間的循環(huán)液進出熱泵的月平均溫度變化曲線。由圖 1可以看出， 在運行一個采暖與空調(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。 取距離周邊鉆孔 10m 遠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年的模擬運行之后，距離鉆孔10m遠處的 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 采暖與空調(diào) 周期后基本回復到初始溫度 ，這就保證了系統(tǒng)的高效率運行。 值得注意的是， 即使設(shè)計工況為理想工況，即地下巖土的取熱與散熱在一個周期內(nèi)達到平衡，但 在實際 運行 中， 地下巖土 的年吸、釋熱量并非要求絕對的平衡， 模擬設(shè)計結(jié)果表明 不平衡率在 177。20%以內(nèi) 是可以接受的 。當然，這種允許的不平衡率會隨著不同地區(qū)和 巖土 的熱物性 、地埋管換熱器所在地點有無地下水流動及其流動特點 ，以及建筑物的冷熱負荷變化 等因素有關(guān)，是因地而異的。如果整個地埋管區(qū)域存在緩慢的地下水的滲透流動，則對地溫的恢復有積極的影響?？梢酝ㄟ^埋地的溫度傳感器來監(jiān)測地溫變化情況，據(jù)此進行運行調(diào)節(jié)。 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 22 圖 系統(tǒng)運行 20年的月溫度變化模擬曲線 如上分析，本項目 在設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)時， 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 行 中能 高效運行 ，應減小冷熱負荷的不平衡程度。 盡量保證在一個供暖空調(diào)運行周期內(nèi)，地下散熱取熱達到 基本 平衡。 本項目 可 采用如下 措施 ： （ 1） 采取分戶熱計量，提高冬季采暖行為節(jié)能的自覺性，提高能源利用率，降低冬季負荷 ； （ 2） 適當增加夏季空調(diào)運行時間 。 （ 3） 適當提高夏季熱泵機組冷卻水的進出水溫度，增大釋熱量。 （ 4） 增大 埋管 間距 可適當?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)可行性研究報告 山東建筑大學地源熱泵研究所 23 （ 5） 間歇運行，有利于地溫的恢復 在 冬季氣溫較高時 ，可以間歇性地 運行或停止部分 熱泵機組 ， 使地下巖土 蓄熱體 有 較長地 溫 恢復 時間，提高換熱溫差，延長系統(tǒng)在高效率點的運行時間。 地源熱泵空調(diào)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟分析 與 常用空調(diào)系統(tǒng) 的 運行費 比較 根據(jù)該建筑的市政資源條件、場地條件、建筑功能及負荷特點，有可能適合本項目的冷熱源方案主要有： (1) 地源熱泵 (2) 冷水機組與鍋爐配套 (3) 冷水機組與城市熱網(wǎng)配套 設(shè)定 采暖 期 均按 120 天 計 ， 根據(jù)統(tǒng)計資料，大致 把整個采暖期劃分為 5 個 負荷 系數(shù) ： 、 、 、 和 1， 對應的運行時間 分別 為10 天、 30 天、 40 天、 30 天和 10 天， 夏季制冷 期 均按 90 天 計算 。 表 冷熱源系統(tǒng)運行費用比較 冷熱