地源熱泵技術在既有建筑物節(jié)能改造中的應用

地源熱泵技術在既有建筑物節(jié)能改造中的應用

摘要：

通過對濟南市某研究院辦公樓的空調系統(tǒng)運行狀況的調查測試及實際運行費用分析，對該工程節(jié)能改造及運行方法進行了分析并提供了具體的空調系統(tǒng)的節(jié)能改造方案。總結了整個辦公樓空調系統(tǒng)節(jié)能改造方案及經(jīng)濟性，為既有建筑節(jié)能改造提供了示范。

關鍵字：辦公樓

空調系統(tǒng)

舊樓改造

地源熱泵

節(jié)能

1、山東方亞地源熱泵空調技術有限公司

2、山東建筑大學熱能工程學院

3、山東建筑科學研究院

一、

引言

在能源總消耗中，建筑能耗占有著很大比例，其中照明和空調，特別是空調能耗，占據(jù)了建筑能耗的30%～40%。所以，進行空調節(jié)能潛力的分析具有非常重要的意義。通過對公共建筑的能源消耗現(xiàn)狀的分析知道，大多數(shù)公共建筑是低功能、低水平、高能耗運行。因此我們可以根據(jù)原有建筑空調系統(tǒng)的分析、調查結果，并結合公共建筑自身的特點，從圍護結構構造措施、空調溫度的設定值、中央空調系統(tǒng)的選型及其風、水系統(tǒng)的調整與改造、新能源的利用和日常管理及調控方式等方面考慮,對舊樓中原有空調系統(tǒng)進行改造，以達到降低能耗的目的。對于供冷期及供暖期均較長的濟南地區(qū)，空調能耗非常高，因此節(jié)能工作尤為重要，并具有代表意義。

本文以濟南市某研究所辦公樓為對象進行研究和討論，旨在讓大家了解既有公共建筑耗能巨大，存在巨大的節(jié)能潛力，因此，我們應引起高度重視。著手公共建筑的節(jié)能建設與改造，以解決我國能源緊缺的問題迫在眉睫。

二、

該辦公樓原有建筑及空調系統(tǒng)簡介

山東省濟南市某研究院南辦公樓建造于1960年，為三層磚混結構，建筑面積約3000平方米，該建筑圍護結構采用370

mm厚磚墻，坡屋面，樓內設有上供下回異程式垂直雙管采暖系統(tǒng)，散熱器采用柱形鑄鐵散熱器，散熱器支管前安裝球型調節(jié)閥。該系統(tǒng)散熱器已使用了30年，散熱效果較差，供回水管道為普通焊接鋼管，也已使用近10年，管道及散熱器均有不同程度的銹蝕。在系統(tǒng)運行過程中，樓內各房間的供暖溫度不均勻，頂層溫度整體偏低，約在15℃左右，東西兩端房間的溫度約在16-18℃，中間的房間溫度偏高，基本在22℃左右，因未設自控閥門，房間的溫度無法根據(jù)不同時段的使用要求進行適時調節(jié)，造成能源的浪費，也達不到人們的舒適度的要求。該采暖系統(tǒng)采用城市熱網(wǎng)集中供暖，院內設換熱站，采用普通定流量水泵，水泵的啟?？咳斯た刂疲膳┧恳彩怯蓳Q熱站人員通過管路閥門進行人工調節(jié)，系統(tǒng)能量的供給無法根據(jù)室內負荷要求的變化進行及時調整，造成能源和運行費用的嚴重浪費。冬季采暖耗熱量平均在102W/m2，2006年冬季采暖運行費用約8萬元。辦公樓夏季采用分體式空調機制冷，耗電量較大，年運行費用約8.1萬。

綜上所述：

1、本建筑屬于一般性建筑，未作保溫處理，冷熱負荷指標大。

2、冬季供暖采用城市熱網(wǎng)集中供暖，夏季空調采用分體式空調機制冷。

3、冬季供暖系統(tǒng)制熱效果及夏季空調系統(tǒng)制冷效果由于原設計不合理均達不到使用要求。

4、冬季運行費用為26元/m2；夏季運行費用為27元/m2。全年運行費用合計為53元/m2

三、

該辦公樓維護結構及空調系統(tǒng)節(jié)能改造方案

針對本辦公樓能耗大、空調運行費用高以及原空調系統(tǒng)設計不甚合理的特點，該院領導下定決心對本建筑進行建筑節(jié)能改造及空調系統(tǒng)的節(jié)能改造，旨在濟南市舊樓改造節(jié)能建設工程中做一個政府性示范工程，同時也是響應國家的節(jié)能減排政策。

維護結構節(jié)能改造方案：按照國家節(jié)能65%的標準對維護結構進行外墻保溫，外窗采用雙層中空LOW-E玻璃。

空調系統(tǒng)節(jié)能改造方案：空調系統(tǒng)采用地源熱泵中央空調系統(tǒng)，本系統(tǒng)一機兩用，冬季供暖、夏季制冷。本系統(tǒng)利用30%的電能做驅動，70%的能量來自地下，不污染環(huán)境，節(jié)能環(huán)保。以下將詳細介紹空調改造方案。

1、

地源熱泵空調系統(tǒng)方案具體配置

(1)根據(jù)對本建筑維護結構節(jié)能改造后計算冷熱負荷，分別為150KW和120KW.

根據(jù)負荷計算負荷，并考慮系統(tǒng)將來增容，增容量估計有100KW左右，因此選用法國西亞特機組LWP900一臺。具體參數(shù)如下：

(1)法國CIATT系列機組組制冷量(kW)制熱量(kW)尺寸(mmm)長寬高LWP9000254.7334.6139012901265(2)空調末端系統(tǒng)采用風機盤管加新風系統(tǒng)。新風系統(tǒng)采用全熱回收式新風換氣機。每層設計一臺新風換氣機，新風口與風機盤管出風口混合后共同向室內提供高品質的空調風。整個系統(tǒng)分為三大部分：地熱換熱器部分、機房部分及末端風機盤管和新風換氣機部分。其工作原理圖如下所示：

地源熱泵空調系統(tǒng)的核心部分是地熱換熱器部分，地熱換熱器設計的好壞，直接影響的系統(tǒng)運行的優(yōu)劣。我公司利用獨立開發(fā)“地熱之星”軟件對本辦公樓的地源熱泵及地熱換熱器系統(tǒng)模擬了10的運行工況。軟件介紹：

該軟件采用動態(tài)傳熱模型，可以模擬地源熱泵和地熱換熱器系統(tǒng)在20年甚至更長時間里的工況。該設計軟件已成功地應用于多個地源熱泵空調工程的設計。是設備生產(chǎn)廠家和教學部門研究及實施地源熱泵工程必不可少的實用手段之一。）

對本工程模擬設計計算，結果為熱泵入口最高溫度33.021℃，在第十年的八月份。熱泵入口最低溫度5.042℃，在第一年的二月份。因此在十年的運行時間里，埋管量4000延米，可以保證系統(tǒng)的經(jīng)濟高效運行。1、

巖土熱物性測試、地下溫度場檢測及地源側進出水溫度巡檢為確保地源熱泵系統(tǒng)在工程實踐中切實達到高效運行的目的，我公司對本節(jié)能改造工程做了以下檢測工作：巖土熱物性測試

深層地下巖土導熱系數(shù)是設計地源熱泵系統(tǒng)地熱換熱器的重要參數(shù)。本公司獨立研制的深層巖土熱物性測試儀已發(fā)展到第Ⅲ型，具有多智能化的功能，使用方便，測試結果可靠。在本工程進行正式施工之前，我公司會對地層進行仔細測試，以達到工程良好運行結果。（1）

地下溫度場常年運行檢測本工程共設計鉆井量40口，為了檢測空調系統(tǒng)運行過程中地下溫度場的變化情況，我公司設計在其中一口井中埋設溫度檢測裝置四處，位置分別為井下80m、60m、40m和20m。如此設計可以很好的檢測地下不同位置的溫度場隨著空調系統(tǒng)常年運行的變化。根據(jù)溫度場的變化情況，可以檢測地源熱泵系統(tǒng)是否高效運行，并且可以對系統(tǒng)運行提供建議。1、

機房系統(tǒng)聯(lián)鎖控制及機組負荷無級調節(jié)1）、機房系統(tǒng)聯(lián)鎖控制說明：（1）

手動方式有兩種：一種是聯(lián)鎖手動，另一種是解鎖手動。解鎖手動在就地操作箱上操作，聯(lián)鎖手動遠方操作。（2）

聯(lián)鎖手動是運行人員按地源空調工藝要求的順序一對一的啟動設備，按逆順序一對一的停止設備，流程內設備存在聯(lián)鎖關系，所以手動停任一臺正在運行的設備，逆順序方向的所有設備聯(lián)鎖停機。（3）

解鎖手動是，運行人員可隨意啟停任一臺設備，此時無任何聯(lián)鎖關系，決不可帶負荷運行。（4）

自動方式為一鍵啟動、一鍵停止整個系統(tǒng)。2）、機組可以根據(jù)系統(tǒng)所需冷量及熱量情況進行無級調節(jié)。一、

節(jié)能改造前后對比分析及節(jié)能減排分析一）、運行費用分析前提：1、電價按0.60元/Kw·h；2、夏季制冷按90天計算，冬季制熱按120天計算，每天均運行10小時。3、地源熱泵冷水機組1臺，冬夏工況按最大標稱功率計算，實際工作時為標稱功率的17%～100%無極調節(jié)工作。4、空調水泵耗電：地源側水泵7.5KW，地上側水泵：7.5KW。

計算項目計算過程計算結果夏季地源熱泵機組耗電（最大功率445Kww）負荷率1000%天數(shù)20天20天×100小時×45KKw×1臺×1000%9000.00負荷率75%%天數(shù)25天25天×100小時×45KKw×1臺×75%%8437.55負荷率50%%天數(shù)25天25天×100小時×45KKw×1臺×50%%5625.00負荷率25%%天數(shù)20天20天×100小時×45KKw×1臺×25%%2250.00合計耗電量（KWH）9000+88437++56255+2255025312..5空調水泵耗電電7.5Kw××2臺×10小時×90天13500..0夏季總耗電電電量25312+.5各建筑同時使使用率（取取1.0）38812..5×1..038812..5夏季總運行費費用（0.6元/度）38812..5×0..6023287..5夏季平均每平平方米運行行費用23287..5元÷30000㎡7.8元/㎡㎡冬季地源熱泵機組耗電（最大功率555Kw）負荷率1000%天數(shù)2020天×100小時×55KKw×1臺×1000%11000..0負荷率75%%天數(shù)3030天×100小時×55KKw×1臺×75%%12375..0負荷率50%%天數(shù)3030天×100小時55Kww×1臺×50%%8250.00負荷率25%%天數(shù)4040天×100小時×55KKw×1臺×25%%5500.00合計耗電量（KWH）11000++123775+82250+5550037125空調水泵耗電電7.5Kw××2臺×10小時×90天22500..0冬季總耗電電電量22500++37122559625..0各房間同時使使用率（取1.0）59625××1.059625..0冬季總運行費費用（0.6元/度）59625××0.60035775..0冬季平均每平平方米運行行費用35775元元÷30000㎡11.9元//㎡一年每平方米米運行費用用合計（冬冬季+夏季）3.82元//㎡+99.38元/㎡19.7元//㎡二）、改造前后運行費用對比改造前：根據(jù)2006年對辦公樓空調運行費用統(tǒng)計：冬季采暖費8.0萬元。夏季分體空調耗電費8.1萬元。全年運行費用折合53元/㎡。改造后：由前表可知，地源熱泵空調系統(tǒng)的全年運行費用折合19.7元/㎡。則全年運行費用為：5.91萬元。改造前后僅運行費用每年節(jié)省10.19萬元。節(jié)能百分比為：63%。

三）、節(jié)能環(huán)保效益分析節(jié)能環(huán)保效益定量分析以以下數(shù)據(jù)計算：標準天然氣的熱值按照35965kJ/Nm3；標準煤的低位熱值29271kJ/kg；燃氣鍋爐的效率按0.8計；熱電廠發(fā)電效率取0.4。

節(jié)省用電量//KW·hh1666677折合耗煤量//噸66．7節(jié)煤量/噸66.7減排量CO2/噸176.7SO2/kgg1191.33煙塵/kg1026爐渣/噸41.33根據(jù)上表，項目在改造后除具有顯著的節(jié)能效益的同時還具有良好的環(huán)保效益。五、結論5.1綠色環(huán)保效益顯著采用地源熱泵系統(tǒng)取代燃煤鍋爐可能得很好的環(huán)保效應和經(jīng)濟效應，避免了燃煤鍋爐的廢氣、廢渣對周圍環(huán)境的污染，省掉了燃煤的運輸費用、貯煤場地費用、除塵費用、灰渣的運輸處理費用等。同時解決了低溫地熱水或熱尾水排放后對環(huán)境造成的熱污染的問題。地源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，所以，地源熱泵機組的運行沒有任何污染，相應了國家節(jié)能減排的政策。5.2一機多用，節(jié)約資金在該項目中，利用地源熱泵系統(tǒng)提供冬季供暖的同時，還可提供夏季制冷，一機多用，從而避免了中央空調系統(tǒng)的重復投資，提高了設備的利用率。能源利用率高，投入1KW的電能可得到4KW的高品位熱能，運行費用與常規(guī)方式相比更節(jié)約。5.3性能穩(wěn)定，安全可靠土壤的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，土壤溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。地源熱泵運行自動化程度高，便于操控，運行人員少，無壓力容器存在，安全性好。機組體積小，可靈活安置在任何地方，節(jié)約空間。參考文獻1.

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