中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告

1、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 - - 1 中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng)中鐵建辦公樓地源熱泵系統(tǒng) 可行性研究報(bào)告可行性研究報(bào)告 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 - - 2 目錄目錄 0 研究報(bào)告概要4 第一章 項(xiàng)目綜述11 1.1 氣象地理?xiàng)l件.11 1.2 項(xiàng)目概況.11 1.3 計(jì)算依據(jù).12 1.4 建筑資料.12 第二章 建筑的冷熱負(fù)荷14 2.1 室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù).14 2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù).15 2.3 建筑負(fù)荷估算.15 2.4 主要設(shè)備容量的選擇.16 第三章 地源熱泵空調(diào)技術(shù)的適宜性19 3.1 地源熱泵

2、空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介.19 3.2 地源熱泵在本項(xiàng)目中應(yīng)用的適宜性.22 3.2.1 地質(zhì)條件.22 3.2.2 氣候條件.22 3.2.3 建筑負(fù)荷特性.23 3.2.4 地埋管所需空間.23 3.2.5 地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡.24 3.3 地源熱泵空調(diào)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析.26 3.3.1 與常用空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較.26 3.3.2 與常用空調(diào)系統(tǒng)的初投資比較.27 3.3.3 與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的回收期分析.28 3.3.4 與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的技術(shù)分析.29 第四章 地源熱泵系統(tǒng)埋管工程技術(shù)方案30 4.1 土壤熱工實(shí)驗(yàn)30 4.1.1 概述30 4.1.2 單位孔深地埋管的換熱量

3、與建議30 4.2 方案設(shè)計(jì)35 4.2.1 土壤換熱系統(tǒng)換熱量計(jì)算35 4.2.2 土壤換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)35 第五章 室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)39 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 - - 3 5.1 中央空調(diào)末端形式及原理39 5.2 地源熱泵系統(tǒng)室內(nèi)末端設(shè)備的選擇與比較39 第六章 地源熱泵監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)43 6.1 地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能43 6.2 地源熱泵自動(dòng)控制系統(tǒng)45 6.3 運(yùn)行維護(hù)48 第七章 技術(shù)支持50 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 - - 4 0 研究報(bào)告概要 一、三種方案及其比較一、三種方案及其比較

4、中鐵建 A 座辦公樓可能備選的采暖制冷方案有如下三種： 1. 集中式地埋管地源熱泵系統(tǒng) 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 以上三種可備選的方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較詳見(jiàn)表 0.1-0.3。 表 0.1 冷熱源系統(tǒng)技術(shù)性比較 方案一方案二方案三冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 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 優(yōu)點(diǎn) 性能系數(shù)高、節(jié)能；減少 CO2 排放，環(huán)保；無(wú)室外機(jī)， 換熱器地下敷設(shè)，且冷暖 兼用、節(jié)省建筑面積；控 制靈活方便能分區(qū)分段或 按房間供冷暖，可靠性高 技術(shù)成熟，初投資 少，運(yùn)行可靠，需 要鍋爐房和冷卻塔 利用低溫水供熱是比 較傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源 方式，

5、技術(shù)成熟，應(yīng) 用廣泛設(shè)備運(yùn)行可靠 性高。 缺點(diǎn) 需要地下埋管空間，地下 埋管性能比較復(fù)雜 能源利用率低，且 排放大量 CO2 噪聲和振動(dòng)較大，設(shè) 備宜布置在地下機(jī)房， 需做好消聲、減震措 施 表 0.2 冷熱源系統(tǒng)初投資比較 方案一方案二方案三冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 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 冷熱水機(jī)組（元/kW 冷量） 800500500 燃?xì)忮仩t（元/kW 熱量） 300 城市熱網(wǎng)（元/m2 采暖面積） 100 冷卻塔（元/kW 冷量）無(wú) 60 地下鉆孔及埋管（元/kW） 1500 無(wú) 機(jī)房水泵、管道、控制基本相同(按 40 元/m2) 建筑物空調(diào)末端

6、基本相同（按 110 元/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 - - 5 初 投 資 概 算 比 較 (冷指標(biāo) 72.6W/m2) 初投資（元/m2） 330267254 比例 10.80.77 表 0.3 冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較 方案一方案二方案三冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 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hkwhkw m3 hkw/m2 季 價(jià)格（元）055 0.553.40.5524.5 負(fù)荷累計(jì) kW.h 2663966306121026639663061

7、21026639663061210 效 率 5.5450.951 燃料費(fèi)用 266396.6420916.4304036.31275504.2304036.3 單位燃料費(fèi)用（元 /m2.） 6.429.787.0629.627.0624.5 機(jī)房運(yùn)行費(fèi)用（元 /m2.季） 4.5 元/m2.兩季 冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用 （元/m2.季） 無(wú)2 元/m2.季 全年運(yùn)行費(fèi)合計(jì) （元/m2） 20.743.1838.06 費(fèi)用比例 12.08 184 綜上所述: 方案1：用地源熱泵有較好的節(jié)能效果，初投資較高但運(yùn)行費(fèi)用低； 方案2：用鍋爐房污染嚴(yán)重，運(yùn)行簡(jiǎn)單技術(shù)成熟，初投資費(fèi)用不高 但運(yùn)行費(fèi)用很高； 方案3

8、：用冷卻塔和市政熱力管網(wǎng)，初投資費(fèi)用較低，運(yùn)行費(fèi)用也 不高，但節(jié)能效果不明顯。 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 - - 6 二、方案的確定二、方案的確定 該辦公樓采用集中式熱泵機(jī)組和集中設(shè)置地埋管地?zé)釗Q熱器相結(jié) 合的采暖空調(diào)形式,可行、可靠、高效。 可行性分析可行性分析 1. 當(dāng)?shù)貧庀髼l件及地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)?shù)貧庀髼l件及地質(zhì)構(gòu)造 濟(jì)南地處中緯度地帶，由于受太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的 影響，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)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(wú)嚴(yán)寒。年平均氣溫14.3，極端氣溫最高40.5，最低零

9、下 14.9。 從地埋管熱泵的工作原理可知該系統(tǒng)在冬冷夏熱的地區(qū)（即全年 冷熱負(fù)荷較為均衡的建筑物）可以充分發(fā)揮大地儲(chǔ)能的作用，具有較 高的運(yùn)行效率。因此該項(xiàng)目具備地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用的基本氣候條 件。 2. 建筑物對(duì)空調(diào)的需求建筑物對(duì)空調(diào)的需求 該工程為高檔住辦公樓，對(duì)室內(nèi)空調(diào)要求較高，不僅需要冬季供 熱，而且夏季需要供冷。如果采用傳統(tǒng)的水冷機(jī)組加城市熱網(wǎng)系統(tǒng)， 則需要兩套設(shè)備，不僅增加運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)從環(huán)境保護(hù)方面看，城市 集中供熱系統(tǒng)消耗大量的一次能源，排放的有害氣體則對(duì)大氣環(huán)境造 成污染。而冷水機(jī)組則是在制冷時(shí)將室內(nèi)的熱量以廢熱形式排放到室 外大氣中，該系統(tǒng)的性能隨室外空氣溫度升高而顯著

10、降低，機(jī)組制冷 性能及效率較低，耗能較高。同時(shí)排放到環(huán)境中的廢熱無(wú)疑更加劇了 夏季城市熱島效應(yīng)。 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 - - 7 3. 地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡 由負(fù)荷計(jì)算結(jié)果知，全年冬季耗熱量遠(yuǎn)大于全年夏季耗冷量，耗 冷量為2663916kWh，耗熱量為3061210kWh。地埋管夏天需要往地下 排熱量為2663916 kWh，冬天需要從地下取熱3061210kWh，地下埋管 全年冷熱量不平衡率為13%。圖1為地源熱泵系統(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

11、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1還可以看出，經(jīng)過(guò)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(shuō)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

12、擬設(shè)計(jì)結(jié)果表明不平衡率在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(wú)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?？?以通過(guò)埋地的溫度傳感器來(lái)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 - - 8 圖1 系統(tǒng)運(yùn)行20年的月溫度變化模擬曲線 由于系統(tǒng)的不平衡率比較小，可以通過(guò)以下方法來(lái)緩解冷熱不平衡。 （1）采取分戶熱計(jì)量，提高冬季采暖行為節(jié)能的自覺(jué)性，提高 能源利用率

13、，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，降低埋管間的熱干擾，增大蓄熱體。 （5）間歇運(yùn)行，有利于地溫的恢復(fù) 4. 建筑中利用可再生能源符合國(guó)家建筑節(jié)能政策建筑中利用可再生能源符合國(guó)家建筑節(jié)能政策 建筑中應(yīng)用可再生能源，利國(guó)、利民、利己。在建筑中應(yīng)用地源 熱泵系統(tǒng)，對(duì)于后期申報(bào)綠色建筑，申請(qǐng)政府補(bǔ)貼，創(chuàng)造了先決條件； 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 - - 9 對(duì)于提升項(xiàng)目檔次、品味，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效、節(jié)能運(yùn)行奠定了重要的物 質(zhì)基礎(chǔ)。 三、結(jié)論三、結(jié)論 由于該地區(qū)附近無(wú)熱電

14、廠和區(qū)域鍋爐房，根據(jù)各方案的技術(shù)可行 性與經(jīng)濟(jì)比較，擬選用方案1，地源熱泵系統(tǒng)既符合當(dāng)前國(guó)家的節(jié)能減 排的方針政策，運(yùn)行費(fèi)用也較低，當(dāng)然每個(gè)方案都不是完美的，地源 熱泵的初投資較高，但要考慮長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用和長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益，故擬選用 方案1，方案2是比較常用的空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)行費(fèi)用也不高，可作為備選 方案。 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 - - 10 第一章 項(xiàng)目綜述 1.1 氣象地理?xiàng)l件氣象地理?xiàng)l件 本項(xiàng)目位于濟(jì)南市。濟(jì)南屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候,四季變化 和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯。與同緯度的內(nèi)陸地區(qū)相比,具有雨水豐富、年溫 適中、氣候溫和的特點(diǎn)。 1.2 項(xiàng)目概況項(xiàng)目

15、概況 中鐵建辦公樓位于濟(jì)南市歷城區(qū)奧體西路西側(cè)，南鄰經(jīng)十路，規(guī) 劃總用地為 41501.5。本工程為高檔辦公樓，主體建筑分主樓和裙 樓主樓樓層為 26 層，裙樓為 3 層，地下二層。建筑面積為 40355， 主樓部分 36975，裙房部分 5680，機(jī)房其他 400。該辦公樓的 冷負(fù)荷為 4520.775KW，熱負(fù)荷為 3229.125KW。圖 1 為建筑平面布置 圖。 圖 1 中鐵建集團(tuán)辦公樓平面圖 1.3 計(jì)算依據(jù)計(jì)算依據(jù) 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 - - 11 1、 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500192003 2、 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范

16、GB50045-95 (2005年版) 3、 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范GB50015-2003 4、 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 暖通空調(diào) 動(dòng)力 5、 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 給水排水 6、 建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50242-2002 7、 通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50243-2002 8、 供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范GB 50027-2001 9、 埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程CJJ101-2004 J362-2004 10、 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB 50366-2005（2009） 11、 外墻外保溫應(yīng)用技術(shù)規(guī)程DBJ14-035-2005 12、 埋

17、地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程 CJJ101-2004 13、 建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50411-2007 14、 中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法 15、 中華人民共和國(guó)可再生能源法 1.4 建筑資料建筑資料 各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物性參數(shù)如下： (1) 外墻：建筑外墻為 200 厚加氣混凝土砌塊墻, 管井局部 100 厚， 填充墻為加氣砼砌塊，采用粘貼 40 厚擠塑型聚苯板外保溫， 傳熱系數(shù)為 0.345 W/K。女兒墻、陽(yáng)臺(tái)、外挑構(gòu)件、管道穿 墻采用 25 厚聚苯顆粒保溫砂漿保溫。 (2) 隔墻：采用 20 厚膠粉聚苯顆粒保溫層，導(dǎo)熱系數(shù)為 1.368 W/K。 (3) 窗戶：外窗采用鋁合金隔

18、熱斷橋中空玻璃窗（Low-E 玻璃或普通 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 - - 12 玻璃） ，以提高建筑物的整體節(jié)能效果。傳熱系數(shù)為 2.70 W/ K。 (4) 屋面：采用粘貼 100 厚擠塑型聚苯板外保溫，傳熱系數(shù)為 0.427 W/K。 (5) 戶門(mén)：采用保溫防盜安全門(mén)，傳熱系數(shù)為 2.00 W/K。 (6) 門(mén)窗建筑物理性能 1）抗風(fēng)壓性能:4 級(jí) p3 2.5kpa； 2）空氣滲透性能(氣密性):4 級(jí) q11.5m3/m.h； 3）雨水滲漏性能(水密性): 5 級(jí) p 500pa 4）保溫性能:空氣層厚度: 6mm, k 2.79 5）隔聲性

19、能:3 級(jí) Rw 30dB 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 - - 13 第二章第二章 建筑的冷熱負(fù)荷建筑的冷熱負(fù)荷 2.1 室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù) 濟(jì)南市緯度 37, 經(jīng)度 11698。 冬夏季各氣象參數(shù)如下： 夏季室外計(jì)算干球溫度 34.8 夏季室外計(jì)算濕球溫度 31.3 夏季大氣壓力 99850 Pa 最熱月室外計(jì)算平均濕度 73% 夏季室外平均風(fēng)速 2.80 m/s 冬季室外采暖計(jì)算溫度 -7 冬季室外空調(diào)計(jì)算溫度 -10 冬季室外相對(duì)濕度 54 冬季大氣壓力 102020 Pa 冬季室外平均風(fēng)速 3.20 m 濟(jì)南地區(qū)典型年的室外日平均溫

20、度，極值溫度變化曲線見(jiàn)圖 2.1 （數(shù)據(jù)來(lái)自建筑負(fù)荷計(jì)算軟件 Dest 數(shù)據(jù)庫(kù)） 。 各各天天干干球球溫溫度度統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì) -20 -10 0 10 20 30 40 1-12-13-14-15-16-17-18-19-110-111-112-1 干球溫度（） 日平均溫度()日最高溫度()日最低溫度() 圖 2.1 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 2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù) 表 2.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) 溫度相對(duì)濕度% 房間名稱 夏季冬季夏季冬季 新風(fēng)量 m3/(h人) 客房24271822654

21、050 會(huì)議室2427182265403050 貴賓休息室2622654030 服務(wù)室2522654020 辦公室2326202265403550 多功能廳2422653025 表 2.2 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB50189-2005 公共建筑房間類(lèi)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) 普通辦公室11420 高檔辦公室18813 設(shè)計(jì)室18813 會(huì)議室112.55 走廊5500 辦公建筑 其他11205 2.3 建筑負(fù)荷估算建筑負(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)

22、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 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 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。則該辦公樓的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3229.125kW，冷負(fù)荷為 4520.775kW。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(lái) 說(shuō)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

23、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5.5計(jì)算，冬季COP值按4計(jì)算。 2.4 主要設(shè)備容量的選擇主要設(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 3229.125 kW，冷負(fù)荷為 4520.775 kW。 考慮到該辦公樓的同時(shí)使用系數(shù)為 0.9，則峰值熱負(fù)荷為 2906.2 KW，峰值冷負(fù)荷為 4068.7 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。考慮到該辦公樓的功用與特性，選用三臺(tái)熱泵機(jī)組，便

24、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 712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：4045。 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(jiàn)表2.3. 表2.3 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 712的冷水； 為供熱工況、提供供回水溫 度為：4045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

25、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

26、 山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 - - 17 第三章第三章 地源熱泵空調(diào)技術(shù)的適宜性地源熱泵空調(diào)技術(shù)的適宜性 3.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介地源熱泵空調(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(guò)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(jiàn)圖3.1。地源熱泵地上部分 與普通熱泵相同，所不同的是通過(guò)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(guò)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(guò)熱泵將大地中的低位熱能提升溫度后對(duì)建筑 物供熱，

27、同時(shí)將建筑物內(nèi)的冷量?jī)?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。 圖 3.1 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 1 2 3 4 6 5 1 土壤熱泵空調(diào)機(jī)組 2 風(fēng)機(jī)盤(pán)管 3、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(pán)管空調(diào)系統(tǒng)流程圖 圖 3.2 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

28、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、潔凈環(huán)保、潔凈 地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行沒(méi)有燃燒，沒(méi)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，

29、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(lái) 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(wú)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(wú)儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油

30、罐等衛(wèi)生及火災(zāi)安全隱患；機(jī) 組使用壽命長(zhǎng)，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(wú)人值守。 （5）應(yīng)用范圍廣應(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(wú)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(wèn)題嚴(yán)峻性的認(rèn)識(shí)的提 高，地源熱泵技術(shù)在我國(guó)建筑空調(diào)系統(tǒng)中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 3.2 地源熱泵在本項(xiàng)目中應(yīng)用的適宜性地源熱泵在本項(xiàng)目中應(yīng)用的適宜性 3.2.1 地質(zhì)條件地質(zhì)條件 濟(jì)南地區(qū)屬巖石類(lèi)水文地質(zhì)構(gòu)造地區(qū), 基巖硬度較大 ,要用專門(mén) 的金剛石牙鉆鉆孔, 鉆孔難度較

31、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 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 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(jiàn) 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。 3.2.2 氣候條件氣候條件 濟(jì)南地處中緯度地帶，由于受太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的 影響，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。其特點(diǎn)是季

32、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(wú)嚴(yán)寒。年平均氣溫14.3，極端氣溫最高40.5，最低零下14.9。 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。 3.2.3 建筑負(fù)荷特性建筑負(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 58-81W/ m2，冷負(fù)荷指標(biāo)為 92-120 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

33、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。 3.2.4 地埋管所需空間地埋管所需空間 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(lái)埋管。另一方面可以充分利用建筑物的地下空間來(lái) 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 - - 2

34、1 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。 3.2.5 地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡地源熱泵系統(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3.3為 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3.3還可以看出，經(jīng)過(guò)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

35、16降低了約1。這說(shuō) 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(wú)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

36、極的影響。可 以通過(guò)埋地的溫度傳感器來(lái)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3.3 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(zhǎng)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(jué)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

37、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， 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 增大蓄熱體，有利于地埋管從周?chē)鷰r土中的提取熱量。 （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(zhǎng)地溫恢復(fù)時(shí)間，提高換熱溫差，延長(zhǎng)系統(tǒng)在高 效率點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間。 3.3 地源熱泵空調(diào)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析地源熱泵空調(diào)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 3.3.1 與常用空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)比較與常用空調(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

38、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)：0.3、0.5、0.8、0.5 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 3.1 冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較 方案一方案二方案三冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 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hkwhkwm3hkw/m2季 價(jià)格（元）055

39、0.553.40.5524.5 負(fù)荷累計(jì) kW.h 266396630612102663966306121026639663061210 效 率 5.5450.951 燃料費(fèi)用266396.6420916.4304036.31275504.2304036.3 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 - - 24 單位燃料費(fèi)用 （元/m2.） 6.429.787.0629.627.0624.5 機(jī)房運(yùn)行費(fèi)用 （元/m2.季） 4.5 元/m2.兩季 冷卻塔運(yùn)行費(fèi) 用（元/m2.季） 無(wú)2 元/m2.季 全年運(yùn)行費(fèi)合 計(jì)（元/m2） 20.743.1838.06 費(fèi)用比

40、例12.08184 3.3.2 與常用空調(diào)系統(tǒng)的初投資比較與常用空調(diào)系統(tǒng)的初投資比較 3.2 冷熱源系統(tǒng)初投資比較 方案一方案二方案三冷熱源方式 及序號(hào) 項(xiàng)目 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 冷熱水機(jī)組 （元/kW 冷量）800500500 燃?xì)忮仩t（元 /kW 熱量） 300 城市熱網(wǎng)（元 /m2采暖面積）100 冷卻塔（元 /kW 冷量） 無(wú)60 地下鉆孔及埋 管（元/kW） 1500無(wú) 機(jī)房水泵、管 道、控制 基本相同(按 40 元/m2) 建筑物空調(diào)末 端 基本相同（按 110 元/m2） 初 投 資 概 算 比 較 (冷指標(biāo) 72.6W/m2) 初投資（

41、元 /m2） 330267254 比例10.80.77 3.3.3 與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的回收期分析與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的回收期分析 下表對(duì)本項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性 對(duì)比。 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 - - 25 3.3 與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的回收期分析 方案地源熱泵系統(tǒng) 熱網(wǎng)+水冷機(jī) 組 初投資概算330 元/m2254 元/m2 初投資（萬(wàn)元）1420.811093.60 系統(tǒng)的增量成本（萬(wàn)元） 327.21 全年空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用合計(jì) （萬(wàn)元） 89.12163.86 壽命周期總費(fèi)用（以 系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行 20 年計(jì)算） ， 萬(wàn)元

42、1782.43277.2 系統(tǒng)運(yùn)行 20 年地源熱 泵可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元 1167.59 投資回收期4.4 年 說(shuō)明：表中的數(shù)據(jù)來(lái)自于系統(tǒng)運(yùn)行模擬的結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)，與實(shí) 際運(yùn)行狀況會(huì)有一定的差別，在此僅作為定性的分析。 計(jì)算結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)增加的初投資大約為327.21萬(wàn)元； 但系統(tǒng)可在5年內(nèi)回收，系統(tǒng)運(yùn)行20年計(jì)，則地源熱泵系統(tǒng)可比分體 空調(diào)加集中供熱系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1167.59萬(wàn)元。 3.3.4 與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的技術(shù)分析與常規(guī)空調(diào)全壽命周期的技術(shù)分析 傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)主要包括風(fēng)冷的空氣源熱泵和水冷的冷水機(jī)組。 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)主要的弊端是機(jī)組的效率隨著夏季室外氣溫的升 高或

43、冬季室外氣溫降低而顯著降低。這與建筑冷熱負(fù)荷需求趨勢(shì)正好 相反。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低， 同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。 地源熱泵系統(tǒng)是通過(guò)淺層地?zé)崮芘c建筑實(shí)現(xiàn)熱量交換的，地下 10m 以下的溫度基本上長(zhǎng)年恒定，不受室外氣溫的影響，具有冬暖夏 涼的特性。同時(shí)地源熱泵技術(shù)在夏季是將熱量?jī)?chǔ)存在地下，以備冬季 取熱用，減少了城市的熱污染。 綜上所述: 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 - - 26 方案1：用地源熱泵有較好的節(jié)能效果，初投資較高但運(yùn)行費(fèi)用低； 方案2：用鍋爐房污染嚴(yán)重，運(yùn)行簡(jiǎn)單技術(shù)成熟，初投資費(fèi)用不高 但運(yùn)行費(fèi)用很高；

44、方案3：用冷卻塔和市政熱力管網(wǎng)，初投資費(fèi)用較低，運(yùn)行費(fèi)用也 不高，但節(jié)能效果不明顯。 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 - - 27 第四章第四章 地源熱泵系統(tǒng)埋管工程技術(shù)方案地源熱泵系統(tǒng)埋管工程技術(shù)方案 4.1 土壤熱工實(shí)驗(yàn)土壤熱工實(shí)驗(yàn) 4.1.1 概述概述 (1) 工程概況工程概況 該項(xiàng)目為濟(jì)南中國(guó)鐵建國(guó)際城地源熱泵工程。本工程擬采用節(jié)能 環(huán)保的土壤源熱泵系統(tǒng)，提供本工程的冷、熱源。我所對(duì)本工程地埋 管場(chǎng)地進(jìn)行了深層巖土層熱物性測(cè)試。本次試驗(yàn)進(jìn)行了 1 個(gè)孔的測(cè)試。 測(cè)試時(shí)間：2011 年 7 月 20 日7 月 22 日，資料分析：7 月 24 日7 月

45、 26 日。 (2) 測(cè)試目的測(cè)試目的 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè) 計(jì)出現(xiàn)偏差可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率降低甚至無(wú)法正常運(yùn)行。擬通過(guò)地 下巖土熱物性測(cè)試并利用專業(yè)軟件分析，獲得地埋管區(qū)域基本的地質(zhì) 資料、巖土的熱物性參數(shù)及測(cè)算的每延米地埋管換熱孔的換熱量，為 地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)、換熱孔鉆鑿施工工藝等提供必要的基本依據(jù)。 (3) 測(cè)試孔基本參數(shù)測(cè)試孔基本參數(shù) 表 4.1 測(cè)試孔基本參數(shù) 項(xiàng)目測(cè)試孔項(xiàng)目測(cè)試孔 鉆孔深度（m）100鉆孔直徑（mm）160 埋管形式單 U 型埋管材質(zhì)PE 管 埋管內(nèi)徑 （mm） 26埋管外徑（mm）32 鉆孔回填材料原漿主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)基巖 (4) 測(cè)

46、試設(shè)備測(cè)試設(shè)備 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 - - 28 本工程采用山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所自主研制開(kāi)發(fā)的型號(hào) 為 FZL-C（）型巖土熱物性測(cè)試儀。該儀器已獲得國(guó)家發(fā)明專利。 并已廣泛應(yīng)用于北京奧林匹克公園、網(wǎng)球場(chǎng)館、濟(jì)南奧體中心等一 大批地源熱泵工程的巖土層熱物性測(cè)試。 (5) 測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果 鉆孔測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 4.2；循環(huán)水平均溫度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 4.2。 圖 4.1 地下熱物性參數(shù)計(jì)算模型 表 4.2 鉆孔測(cè)試結(jié)果 內(nèi)容1 號(hào)測(cè)試孔 巖土體溫度(初始溫度)16.5 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 -

47、 - 29 巖土體導(dǎo)熱系數(shù) W/m1.334 巖土體容積比熱容 106J/m31.373 01020304050 0 5 10 15 20 25 30 Temperature (C) Time (Hr) 測(cè)量溫度 計(jì)算溫度 圖 4.2 循環(huán)水平均溫度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖 (6) 結(jié)果分析結(jié)果分析 鉆孔結(jié)果表明：該地埋管區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以基巖為主。具體構(gòu)造為 0-20 米，黃土層夾含大量小碎石；21-30 米，較完整黃土層；31-32 米， 完整基巖；33-35 米，黃土層夾含碎石；36-45 米，完整基巖；46-54 米，粘性黃土夾含碎石；55-90 米，完整基巖；91-92 米，黃泥層； 9

48、3-100 米，完整基巖。測(cè)試結(jié)果表明：埋管區(qū)域的平均綜合導(dǎo)熱系數(shù) 為 1.344W/m，數(shù)值較低，平均容積比熱為 1.373106J/m3，數(shù)值 較小。巖土體初始溫度 16.5，數(shù)值較高。 (7) 土壤地層導(dǎo)熱系數(shù)綜合評(píng)述土壤地層導(dǎo)熱系數(shù)綜合評(píng)述 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 - - 30 1) 測(cè)試結(jié)果表明：該區(qū)域土壤地層平均導(dǎo)熱系數(shù)較大。測(cè)試 的鉆孔（100m 深）導(dǎo)熱系數(shù)：1.344 W/m該地域地下傳熱條件適 合使用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。 2) 初始溫度較低。在約 100 深的巖土層內(nèi)平均地溫為 16.5。 測(cè)試結(jié)果表明：該埋管區(qū)域巖土層的綜合

49、換熱能力強(qiáng)，能夠符合常 規(guī)設(shè)計(jì)要求。 3) 主要地質(zhì)構(gòu)成：據(jù)鉆孔結(jié)果測(cè)試區(qū)域地質(zhì)自地平面下到 30m 內(nèi)為粘土層為主，其下為巖石層。 4.1.2 單位孔深地埋管的換熱量與建議單位孔深地埋管的換熱量與建議 (1) 影響每米孔深地埋管換熱量的因素影響每米孔深地埋管換熱量的因素 地埋管單位孔深的熱交換量與多種因素有關(guān)。簡(jiǎn)述如下： 1) 地埋管傳熱的可利用溫差，即 U 型埋管中的水（循環(huán)液）熱 交換后允許達(dá)到的最低或最高溫度與巖土換熱前未受熱干擾時(shí)溫差。 可利用溫差與地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。本報(bào)告地埋管循環(huán)液冬季 最低溫度采用 4，夏季最高溫度采用 32。 2) 每年從地下取熱量與向地下釋放熱量是否

50、平衡。二者相差越大， 對(duì)地?zé)釗Q熱器換熱效率的影響越大。考慮到測(cè)試區(qū)域冬季采暖期較長(zhǎng)， 宜考慮冬季從地下提取熱量與夏季向地下放入熱量的平衡問(wèn)題。 3) 地埋管單位孔深的熱交換量還與地埋管間距、地下水位的高低 和巖土層含水量多少等因素有關(guān)。 (2) 地?zé)釗Q熱器埋設(shè)建議地?zé)釗Q熱器埋設(shè)建議 單位孔深換熱量是地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)中重要的數(shù)據(jù)，它是確定地?zé)?換熱器容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚(yáng)程、計(jì)算地埋管數(shù) 量與埋管結(jié)構(gòu)等的重要依據(jù)。單位孔深換熱量取值偏大，將導(dǎo)致埋管 量偏小、循環(huán)液進(jìn)出口溫度難以達(dá)到熱泵的要求。結(jié)果導(dǎo)致熱泵實(shí)際 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 -

51、- 31 的制熱、制冷量低于其額定值，使系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。反之，單位 孔深換熱量取值偏小，埋管量將增加，工程的初投資增高。但熱泵機(jī) 組的運(yùn)行費(fèi)用將會(huì)降低。 在地源熱泵運(yùn)行的額定工況下，針對(duì)該地域地質(zhì)條件深層巖土熱 物性的測(cè)試情況、考慮到當(dāng)?shù)氐販爻跏紲囟龋?6.5） 、冬季地埋管循 環(huán)液溫度設(shè)定（48）等因素，提出地埋管方案設(shè)計(jì)時(shí)的參考建議 如下： 1) 對(duì)于 De32 雙 U 型地埋管，冬季每米孔深從地下提取的熱量按 3438W/m 計(jì)，夏季每米孔深向地下釋放的熱量按 4852W/m 計(jì)；對(duì) 于 De32 單 U 型地埋管，冬季每米孔深從地下提取的熱量按 2832W/m 計(jì)，夏季每米孔深向地

52、下釋放的熱量按 4246W/m 計(jì). 2) 豎直埋管材料宜采用 PE100；鉆孔難度較大，宜采用雙 U 型 豎直地埋管； 3) 在地埋管空間充足條件下，為增大蓄熱體、減弱地下冷熱負(fù)荷 不平衡的影響，應(yīng)適當(dāng)加大地埋管間距。建議地埋管間距 5m7m。 4.2方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 4.2.1 土壤換熱系統(tǒng)換熱量計(jì)算土壤換熱系統(tǒng)換熱量計(jì)算 地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際最大釋熱量發(fā)生在與建筑最大冷負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的 時(shí)刻。包括：各空調(diào)分區(qū)內(nèi)水源熱泵機(jī)組釋放到循環(huán)水中的熱量（包 括空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組壓縮機(jī)耗功） 、循環(huán)水在輸送過(guò)程中得到的熱量、 水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述三項(xiàng)熱量相加就可得到供冷工況 下釋放到循環(huán)水的總熱量。

53、即： 最大釋熱量空調(diào)分區(qū)冷負(fù)荷（11/EER）+輸送過(guò)程得 熱量+水泵釋放熱量。 由于循環(huán)水在輸送過(guò)程中得到的熱量、水泵釋放到循環(huán)水中的熱 量無(wú)法精確計(jì)算。本設(shè)計(jì)僅考慮空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組壓縮機(jī)耗功兩項(xiàng)，并 進(jìn)行修正。 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 - - 32 4.2.2 土壤換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)土壤換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1） 土壤換熱器的布置 由于該項(xiàng)目為高檔辦公樓，建筑主體周?chē)写罅靠盏亍Ｋ詳M 劃分兩個(gè)埋管區(qū)。一區(qū)：在主樓前的形象廣場(chǎng)下布置一定的地埋管， 埋管間距 5m，二區(qū)：在裙樓周?chē)木G化帶進(jìn)行埋管，埋管間距 5m。 2） 土壤換熱器的設(shè)計(jì) 土地埋管采用豎直單U

54、型地埋管。豎直埋管管材采用高密度聚乙 烯（PE100）De32?？组g距和行間距均按 5 m 計(jì)算，鉆孔深度按 120m 計(jì)，鉆孔徑 160 mm，埋深按 2.0 m 考慮。水平埋管總長(zhǎng)度可 根據(jù)地埋管區(qū)域、機(jī)房位置、分集水器設(shè)置位置和水平管連接方式確 定。 根據(jù)地質(zhì)情況，地下 120 m 范圍內(nèi)的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為 1.344 W/(mK)， 比熱容為 1373 kJ/(m3K)。經(jīng)計(jì)算，鉆孔數(shù)量為 760 個(gè)。 當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)按以上地埋管方案設(shè)置時(shí)，計(jì)算結(jié)果曲線如圖 4.3 所示?？梢钥闯觯芈窆軗Q熱器的出水最低溫度為 2.9，出水 最高溫度為35.9。系統(tǒng)運(yùn)行一年后，地下平均溫度由 16.5下

55、降 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 - - 33 至16.4。地埋管進(jìn)、出水溫度的變化不大，其對(duì)地源熱泵機(jī)組的效 率影響很小可以忽略。 圖4.3 地源側(cè)溫度變化圖 3） U 型管支管間距半寬及回填材料確定 在豎直 U 型埋管地?zé)釗Q熱器中，在這樣一個(gè)狹小的空間內(nèi)，支管 間必然發(fā)生熱回流現(xiàn)象，對(duì)實(shí)際的換熱效果將產(chǎn)生一定影響。如果處 理不當(dāng)，將產(chǎn)生較大的影響。影響 U 型埋管支管間熱量回流的因素主 要有兩個(gè)，一是兩支管間的間距，二是回填材料的導(dǎo)熱率。 下圖 4.4 為鉆孔敷設(shè) U 型管后的最大余隙，它等于鉆孔直徑減去 二倍支管直徑。兩支管中心距等于支管直徑與兩支管

56、間距之和。顯然， 支管間距及回填材料導(dǎo)熱率對(duì)熱量回流的影響都是單一的。即支管間 距越小或回填材料導(dǎo)熱率越大，熱量回流越大。但兩者對(duì)地?zé)釗Q熱器 設(shè)計(jì)容量的影響并不一致，相同負(fù)荷下，支管間距小，所需的地?zé)釗Q 熱器容量大?；靥畈牧蠈?dǎo)熱率大，一方面增加了兩支管間的熱量回流， 另一方面，也強(qiáng)化了 U 型管與土壤間的傳熱。而后者是影響地?zé)釗Q熱 器設(shè)計(jì)容量的主要因素。該系統(tǒng)采用支管間距為 0.5S 的 U 型管埋管 方式。 圖 4.4 U 型支管間距 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 - - 34 回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)尺寸的影響沒(méi)有土壤的導(dǎo) 熱系數(shù)影響大，這是

57、因?yàn)榛靥畈牧系膶?dǎo)熱系數(shù)要小于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)， 而且回填材料的厚度要遠(yuǎn)小于土壤層的厚度。之所以加回填材料的原 因主要是為了防止地面水通過(guò)鉆孔向地下滲透，以保護(hù)地下水不受地 表污染物的污染，并防止各個(gè)蓄水層之間的交叉污染。當(dāng)然能夠增強(qiáng) 換熱能力更好，所以國(guó)外現(xiàn)在的回填材料都改進(jìn)成高導(dǎo)熱系數(shù)的材料， 以加強(qiáng)傳熱能力。該土壤源地源熱泵系統(tǒng)采用導(dǎo)熱率為 2.18W/(mK) 的水泥砂漿作為回填材料。 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 - - 35 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 - - 36 第五章第五章 室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)室內(nèi)空調(diào)末端

58、系統(tǒng) 5.1 中央空調(diào)末端形式及原理中央空調(diào)末端形式及原理 作為中央空調(diào)末端有以下幾種形式：一是全空氣系統(tǒng)；二是風(fēng)機(jī) 盤(pán)管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；三是地板輻射采暖方式。當(dāng)空調(diào)房間內(nèi)對(duì)溫濕 度有較高要求時(shí)，可采用第一種方式，該方式具有室內(nèi)溫度、濕度均 勻，在空調(diào)啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的均勻，對(duì)于某些會(huì) 議室、餐廳等場(chǎng)合可采用該方式。風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是目前舒 適性空調(diào)系統(tǒng)廣泛采用的系統(tǒng)形式，它可以根據(jù)人員使用情況隨時(shí)啟 停房間內(nèi)末端裝置，達(dá)到節(jié)能的目的。但末端設(shè)備的維護(hù)工作量稍大。 地板輻射采暖方式是目前較為舒適的供暖方式，由于室內(nèi)溫度梯度為 自下而上逐漸降低，正好與其他供暖方式相反，室內(nèi)

59、人員處于高溫區(qū)， 舒適感較好，同時(shí)在舒適感相同的情況下，可以有效減少輸送熱量， 達(dá)到節(jié)能的效果，目前在北方地區(qū)集中供暖中得到廣泛應(yīng)用。但地板 采暖用于夏季供冷時(shí)，由于考慮到結(jié)露的影響，輸送到地板內(nèi)水溫不 得高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，同時(shí)由于室內(nèi)的濕負(fù)荷需要去除，還需要 考慮除濕方法或設(shè)備來(lái)保證房間濕度恒定。 5.2 地源熱泵系統(tǒng)室內(nèi)末端設(shè)備的選擇及比較地源熱泵系統(tǒng)室內(nèi)末端設(shè)備的選擇及比較 對(duì)于采用普通地源熱泵作為冷熱源的中央空調(diào)系統(tǒng)，由于機(jī)組夏 季能夠提供給空調(diào)末端設(shè)備的冷凍水溫度在 7-12以上，冬季提供 的熱水溫度在 45-50之間。因此末端設(shè)備的選取可采用如下方式： 方案一，冬夏季室內(nèi)末端設(shè)

60、備均采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管。該方式控制靈活， 室內(nèi)升溫或降溫迅速，可有效提高舒適度，比較適合應(yīng)用于間歇運(yùn)行 的辦公建筑、住宅建筑等對(duì)濕度沒(méi)有嚴(yán)格要求的空調(diào)場(chǎng)合。 方案二，采用集中的空調(diào)機(jī)組，夏季通過(guò)送風(fēng)管道向空調(diào)房間輸 送冷風(fēng)，達(dá)到降溫的目的，冬季通過(guò)向室內(nèi)送熱風(fēng)（或冷風(fēng)）的方式， 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 - - 37 達(dá)到維持室內(nèi)溫度的目的。該方式人員舒適度最好，但控制不夠靈活， 當(dāng)該系統(tǒng)內(nèi)的部分房間不用時(shí)，系統(tǒng)能耗并未降低多少。但室內(nèi)升溫 或降溫迅速，可有效提高舒適度，比較適合應(yīng)用于間歇運(yùn)行的辦公建 筑等空間較大的空調(diào)場(chǎng)合。 方案三，夏季室內(nèi)末端設(shè)備均采用