中央電大土木工程(暖通)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(定稿)

1、XX廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）定稿題 目 地源熱泵在建筑中的應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)性比對(duì)及發(fā)展?jié)摿?姓 名 教育層次 本 科 學(xué) 號(hào) 省級(jí)電大 專 業(yè) 土木工程 市級(jí)電大 指導(dǎo)老師 教 學(xué) 點(diǎn) 地源熱泵在建筑中的應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)性比對(duì)及發(fā)展?jié)摿?nèi)容摘要:針對(duì)當(dāng)前建筑供熱策略應(yīng)用不徹底的現(xiàn)狀，本文對(duì)地源熱泵、空氣源熱泵等低碳建筑策略在建筑中的應(yīng)用，以及熱泵的合理應(yīng)用對(duì)建筑低碳減排的效果，明確了其優(yōu)缺點(diǎn)及合理選擇的必要性。通過本文的闡述與研究，著重研究地源熱泵策略在建筑中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性問題，以期對(duì)地源熱泵的實(shí)施發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。關(guān)鍵詞：低碳建筑，熱泵，經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用潛力正文：隨著社會(huì)的發(fā)展和能源利用的加劇，能源

2、問題日益突出，提高能源的利用效率，減少能源的消耗是最直接的低碳減排方法。建筑能耗在社會(huì)總能耗中的比重越來越高。建筑能耗的最大特點(diǎn)就是采暖和空調(diào)的能耗的巨大,采暖和空調(diào)的能耗約占建筑總能耗的55%。地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源進(jìn)行供熱、供冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。由于其熱源溫度比較高，全年穩(wěn)定，不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，所以不管是冬季供暖，還是夏季制冷，地源熱泵的COP都要比其他熱源形式的熱泵高出許多。目前地源熱泵在許多國家已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。我國一些城市已建立了地源熱泵示范工程，但是推廣還存在一定的難度，人們對(duì)地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性如何還缺乏了解，所以對(duì)地源熱泵進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析以及各種方案的比較很

3、有必要。地源熱泵的涵義 地源熱泵顧名思義便是以地下熱源為冷熱源的供熱系統(tǒng)，地源熱泵不僅應(yīng)用地下熱源，還是用水體的熱量，稱為水源熱泵，熱泵采用的冷熱源的種類不同，熱泵的性質(zhì)也不同。地源熱泵系統(tǒng)。 只要是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵工作原理。 地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”。表 1.1 傳統(tǒng)深層地?zé)崤c淺層地?zé)醾鹘y(tǒng)深層地?zé)釡\層地?zé)嵯嗤c(diǎn)資源性質(zhì)可再生資源可再生

4、資源介質(zhì)地下水土壤、砂石、地下水作用節(jié)能環(huán)保，釋放二氧化碳少蘊(yùn)藏條件地下土壤、巖石中地下土壤、巖石中地源熱泵系統(tǒng)也存在一定的缺點(diǎn)：1）采用地下水作為系統(tǒng)的冷熱源，地下水利用后回灌不好會(huì)造成地基下沉，操作不當(dāng)可能污染地下水。2）地源熱泵的熱交換是在地下進(jìn)行的，熱泵技術(shù)適用于容積率較低的建筑類型。不同類型的地源熱泵能量來源不同，也有各自特殊的要求。3）地源熱泵中央空調(diào)的初投資比一般中央空調(diào)高許多，一般高出百分之四十左右，土壤源熱泵系統(tǒng)每平方米的初投資為400-500元，地下水源熱泵每平方米的初投資為300-400 元，海水源熱泵的初投資更高。地源熱泵系統(tǒng)效益分析地源熱泵供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供暖方式相比

5、，社會(huì)效益和環(huán)境效益使可容忽視的，經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。地源熱泵系統(tǒng)主要將自然界的低溫變?yōu)楦邷兀捎每稍偕裳h(huán)使用的熱源，減少了對(duì)環(huán)境的污染。能夠大大改善城市的空氣質(zhì)量，減輕溫室效應(yīng)，保護(hù)環(huán)境。 表 1.2 水源熱泵中央空調(diào)與其它中央空調(diào)冷熱源的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比方式設(shè)備壽命占地面積驅(qū)動(dòng)方式耗水量環(huán)保特點(diǎn)溴化鋰吸收式直燃機(jī)10年冷卻塔占用屋頂面積，機(jī)房占地面積大，需要一定的安全間距燃油或燃?xì)猓茉蠢孟禂?shù)為80%冷卻水量的2%是冬季供熱的排污補(bǔ)水有一定的噪音和水霉菌污染，有燃燒污染水冷機(jī)+電鍋爐冷水機(jī)組20年電鍋爐15年冷卻塔占用屋頂面積，電負(fù)荷大，須設(shè)冷凍站和鍋爐房電能利用系數(shù)約為3.5-3.8冷

6、卻水量的2%是冬季鍋爐的排污補(bǔ)水夏季有一定的噪音和水霉菌污染，無燃燒污染水源熱泵20年機(jī)房占地面積小，可設(shè)在地下室電能利用系數(shù)約為3.8-6.0只利用地下水源的熱量，采用回灌技術(shù)，不消耗水資源噪音低，無水源污無燃燒污染地源熱泵的應(yīng)用潛力分析我國淺層地能的資源利用潛力巨大。 低溫能量在近百米深度范圍內(nèi)每年可采集的能量是目前我國發(fā)電裝機(jī)容量的 15000 倍。北京地下水可提供的能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤約 224 萬噸，相當(dāng)于每年全部供暖能源1100 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的20%，地源熱泵應(yīng)用的節(jié)能減排效果是非常顯著的。我國淺層地能的資源量如表1.3所示。地下水中的低品位熱能對(duì)建筑物節(jié)能效果明顯，5溫差的地下水，經(jīng)熱泵

7、技術(shù)提升后供暖表 1.3 我國淺層地能的資源量下面是可源中央空調(diào)系統(tǒng)的衛(wèi)生熱水運(yùn)行費(fèi)用和空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)分別如表1.4、表1.5所示表 1.4熱水運(yùn)行費(fèi)用表 1.5 空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)水源熱泵系統(tǒng)與其他常用供暖制冷方式的運(yùn)行費(fèi)用的比較見表1.6。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，水源熱泵是經(jīng)濟(jì)的低碳建筑策略。隨著技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用的日益廣泛，無論當(dāng)?shù)貧夂蛉绾?，地源熱泵都得到了廣泛的應(yīng)用表 1.6 水源熱泵與其它供暖方式運(yùn)行費(fèi)用比較表另外，隨著環(huán)境問題的惡化，傳統(tǒng)以燃煤為基礎(chǔ)的供暖模式不能適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。空氣源熱泵的應(yīng)用雖然受到氣候條件的約束，但以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用比較廣泛。 傳統(tǒng)的空氣源熱泵存在一定的缺點(diǎn)，采

8、用一定的方法可以提高其性能，例如采用輔助加熱器、變頻技術(shù)、復(fù)疊式蒸汽壓縮的熱泵系統(tǒng)。采用變頻技術(shù)可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，但是經(jīng)濟(jì)性問題卻不能很好的解決。噪聲的增加、變頻器價(jià)格問題成為方案推廣的主要障礙。為解決制冷劑循環(huán)量不足和壓縮問題，可以采用輔助加熱器提高機(jī)組的蒸發(fā)溫度的方法，改善機(jī)組運(yùn)行環(huán)境。地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究太陽能、風(fēng)能是最常見的可再生能源，大地也是巨大的蓄熱體，地下溫度基本常年保持穩(wěn)定，年變化量非常小。在冬季室外氣溫比較低的情況下，地?zé)釡囟雀哂诮ㄖ覂?nèi)溫度，地?zé)峥梢宰鳛闊嵩垂┙ㄖ褂谩Ｏ奶斓叵聹囟鹊?，可以為建筑降溫。我國地?zé)豳Y源極其豐富，全國已發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn) 3200 多處。傳

9、統(tǒng)的分體式懸掛空調(diào)夏冬兩季平均耗電量約為 1780W/h，而地源熱泵的耗電量僅為 650W/h，節(jié)約了一半多的電能。地?zé)岬膽?yīng)用擁有廣泛的前景。 地源熱泵系統(tǒng)簡單,所需的動(dòng)力也無須特殊要求，比較容易大范圍實(shí)施。地源熱泵系統(tǒng)占地面積小,水池深度較淺,集供熱和制冷于一體,蓄熱能力強(qiáng),與周圍土壤的換熱面積大,效率比較高。 地源熱泵系統(tǒng)主要利用自然界的低溫變?yōu)楦邷?，采用可再生可循環(huán)使用的熱源，減少了對(duì)環(huán)境的污染。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定，運(yùn)行效率高,節(jié)能效果明顯。地源熱泵系統(tǒng)要比燃料鍋爐節(jié)省一半的能量,比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二的電能,運(yùn)行費(fèi)用也只有普通中央空調(diào)的 50%60。地源熱泵供熱1

10、00kJ的情況下燃煤電廠所需的燃煤熱量為75 kJ。使用燃油鍋爐則需要熱量125kJ,燃煤鍋爐提供100kJ制取熱水的成本。電熱水器每年耗電折合標(biāo)準(zhǔn)煤約 2630 萬噸。如果 10%的電熱水器被熱泵熱水器代替，那么每年可節(jié)約電能折合標(biāo)準(zhǔn)煤約129 萬噸。國內(nèi)空氣源熱泵沒有引起足夠的重視，在推廣方面存在一定的困難。附 每立方米熱水成本比較實(shí)際建筑設(shè)計(jì)實(shí)例:下面是一個(gè)商業(yè)綜合體的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)某超高層商業(yè)綜合體全套暖通設(shè)計(jì)施工圖紙（含地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)）；工程總建筑面積地66996.00m2，地下19681.00m2，共四十一層(地下二層、地上三十九層)，建筑高度為147.800m；地下層為

11、車庫、餐廳、冷凍機(jī)房、鍋爐房等設(shè)施用房；地上層包含五星級(jí)酒店、酒店式公寓、配套商業(yè)以及辦公用房等。暖通系統(tǒng)包含常規(guī)冷水機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)及地源水環(huán)熱泵系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容：1）本工程空調(diào)、通風(fēng)及防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2）本工程酒店式公寓地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)；3）地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；4）冷凍機(jī)房、鍋爐房設(shè)計(jì)及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)地源熱泵一機(jī)兩用，既供暖又供冷。共三種驅(qū)動(dòng)源分別為：電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)；輔助熱源分別為：電鍋爐、油鍋爐、燃?xì)忮仩t。當(dāng)驅(qū)動(dòng)源采用柴油機(jī)或燃?xì)鈾C(jī)時(shí)，對(duì)柴油機(jī)或燃?xì)鈾C(jī)的廢熱進(jìn)行回收。地源熱泵供暖制熱系數(shù)取3.1，供冷制冷系數(shù)取4.0，單體空調(diào)制冷系數(shù)取2.9；電鍋爐的熱效率取1

12、.0，油鍋爐和燃?xì)忮仩t的熱效率取0.85；柴油機(jī)和燃?xì)鈾C(jī)的廢熱回收率取0.60。地源熱泵地下埋管采用垂直套管，孔深100m，埋管采用高密度聚乙烯(HDPE)管，單位長度鉆孔的換熱量取35Wm 2 。地源熱泵的使用壽命為15a，系統(tǒng)供暖總?cè)?00kW。冷熱源系統(tǒng)圖其中水源熱泵機(jī)主要是水水式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖換熱。常用抽水泵控制方法有：設(shè)置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調(diào)節(jié)控制。 制冷機(jī)房平面詳圖鍋爐房平面圖其中水源熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)值  (1)井水溫度：水源水溫1222；。     &#

13、160; (2)井距、井深：并距5070m，井深應(yīng)確保水溫參數(shù)。     (3)回灌井?dāng)?shù)：采水井與回灌井?dāng)?shù)配比應(yīng)為1：2，最少為1：1。    (4)灌采水量比：回灌量最好為100，最小也應(yīng)不小于采水量的80。    (5)采水設(shè)備(潛水泵)檢修周期：051年，以確保井水源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。      地埋管平面布置圖以上是本設(shè)計(jì)換熱井豎向大樣圖，經(jīng)過了實(shí)地土壤巖石考察及換熱管經(jīng)濟(jì)學(xué)比對(duì)后獨(dú)立設(shè)計(jì)出來的的，可以有效的提供熱源并且有利于施工。地源熱泵技術(shù)的制約條件雖然國內(nèi)對(duì)土壤源熱泵的探索性研究

14、，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數(shù)都局限于對(duì)所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試并與傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵性能進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論。由于缺乏對(duì)埋地?fù)Q熱器在土壤中復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結(jié)論只適用于某一具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少而不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。綜合國內(nèi)外土壤源熱泵的研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)影響土壤熱源熱泵廣泛應(yīng)用的主要原因是：（1）缺少針對(duì)不同土壤特性或回填材料所進(jìn)行的熱物性實(shí)驗(yàn)研究；（2）缺少用新的理論描述埋地?fù)Q熱器傳熱傳質(zhì)機(jī)理及強(qiáng)化傳熱過程的理論模型；（3）缺少根據(jù)不

15、同冷、熱負(fù)荷確定合理埋地?fù)Q熱器形式并把此與土壤熱泵系統(tǒng)最佳匹配參數(shù)相結(jié)合的研究；（4）冬季從地下連續(xù)取熱時(shí)，難以保證埋地?fù)Q熱器與周圍的土壤有足夠的傳熱溫差。大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了對(duì)于地源熱泵的理論研究，在地源熱泵系統(tǒng)中，埋地?fù)Q熱器一直是地源熱泵技術(shù)的難點(diǎn)，同時(shí)也是該項(xiàng)技術(shù)研究的核心和應(yīng)用基礎(chǔ)。所以，針對(duì)目前工程所作的研究均圍繞埋地?fù)Q熱器進(jìn)行，其主要內(nèi)容為：新型的樁基式埋地?fù)Q熱器與傳統(tǒng)的埋管式換熱器換熱性能的差異；大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤溫度場的影響，土壤的恢復(fù)時(shí)間，以及合理的埋管間距等；U型管與W型管的換熱性能比較；U型管內(nèi)部熱干擾的影響等。地源熱泵行業(yè)作為市場規(guī)模巨大的新興產(chǎn)業(yè)

16、，目前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)僅有2005年編制、2009年修編的國家標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB 50366-2005）和設(shè)備生產(chǎn)方面的國家標(biāo)準(zhǔn)水源熱泵機(jī)組（GB 19409-2003）等少數(shù)幾個(gè)，嚴(yán)重滯后于該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展來看，缺乏完善的地源熱泵制造標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)范，工程施工質(zhì)量缺少監(jiān)理規(guī)范同時(shí)，國內(nèi)已建的大部分熱泵工程，均未建立地下水和巖土監(jiān)測系統(tǒng)，不掌握地源熱泵運(yùn)行過程中對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，相關(guān)的土壤熱傳導(dǎo)機(jī)理研究和地下水回灌技術(shù)仍需完善。地源熱泵發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)及潛力地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是目前為止，在各種條件下可以穩(wěn)定運(yùn)行的低碳環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)，由于其采用地下能量，較普通中央空調(diào)、空氣源熱泵空調(diào)

17、都更加節(jié)能，短期內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)有較大的沖擊，比風(fēng)能、光能、潮汐能等新能源系統(tǒng)技術(shù)更加成熟、系統(tǒng)也更加穩(wěn)定。但就其本質(zhì)而言，仍然需要使用電來帶動(dòng)熱泵主機(jī)，不是完全的可再生能源，在未來的科技發(fā)展和新能源不斷成熟的條件下，可能會(huì)遭到太陽能空調(diào)等的替代。我國城鄉(xiāng)既有建筑總面積約400億平方米，其中城鎮(zhèn)約為160億平方米，在城鎮(zhèn)中居住建筑面積約為105億平方米，其中能達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的僅占5%，其余95%都是未來需要陸續(xù)進(jìn)行節(jié)能改造的高能耗建筑；同時(shí)，我國每年新增房屋建筑面積約20億平方米，預(yù)計(jì)到2020年底，我國新增的房屋面積將近300億平方米，新增城鎮(zhèn)民用建筑面積約 100150億平方米。隨著

18、人民生活水平提高，我國采暖線也將逐步南移，采暖面積會(huì)逐步增大，新建建筑將有70億平方米以上需要供暖。據(jù)全國地源熱泵委員會(huì)調(diào)查，截至2010年，我國地源熱泵使用總面積已達(dá)1.6億平方米，市場相關(guān)產(chǎn)品銷售總額已超過700億元人民幣。預(yù)計(jì)到2020年，我國的地源熱泵市場規(guī)模將比目前增長58倍。在可以預(yù)見的未來若干年，中國地源熱泵行業(yè)仍將快速發(fā)展，主要有四方面原因：第一，科技為先導(dǎo)，科研技術(shù)人員十幾年來不斷努力創(chuàng)新取得的成果為推廣地源熱泵奠定了良好的技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)；第二，不管是建設(shè)行業(yè)，還是地質(zhì)行業(yè)等都很關(guān)心地源熱泵的發(fā)展，行業(yè)的推動(dòng)為地源熱泵在中國的推廣和應(yīng)用助一臂之力，相關(guān)政府部門也已經(jīng)制定和出臺(tái)了一些相關(guān)管理?xiàng)l例和辦法；第三，政府的支持力度很大。財(cái)政部和住建部聯(lián)合出臺(tái)可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金管理暫行辦法 為地源熱泵的推廣提供了財(cái)政上的支持和補(bǔ)貼，對(duì)中國的