土壤源热泵空调系统在商业和公共建筑的应用.ppt

beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 土壤源热泵空调系统在商业和公共建筑中的应用geothermalheatpumpforspaceheatingandcooling beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 内容contents 土壤源热泵复合系统的应用 商业和公共建筑耗能现状 土壤源热泵系统发展趋势 土壤源热泵系统经济技术分析 土壤源热泵系统设计与施工 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 商业和公共建筑能耗现状 1 各类大型公共建筑的单位建筑面积全年耗电量为100 350kwh 是城镇住宅单位面积用电量的10 15倍2 空调 照明和动力设备的能耗占到建筑能耗的80 左右 其中空调系统占35 以上 用于补偿围护结构传热耗能 处理新风 空调设备用电 采暖 制冷能耗是欧洲发达国家的3 4倍3 目前占总建筑面积不到15 的公共建筑 在不提供采暖的条件下 占总建筑能耗的47 3 能耗现状 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 公共建筑能耗现状 面临的问题 1 新建公共建筑面积以3 4亿平方米 年的速度得到迅速发展 预计到2020年将增加60 70亿平方米 不采取节能措施的话 建筑能耗将增加3300 4100亿kwh 而国家至2020年公共建筑能耗的增长目标为1100 1400亿kwh 任务艰巨2 公共建筑中尤其大型商业建筑 采暖通风空调能耗相当高 一般会占到该商业建筑总能耗的60 以上暖通空调节能方案 从改善冷 热源做起 利用土壤源热泵这种高能效比 节能 环保的新型空调技术 实现热 冷及卫生热水三联供 运行费用低 在高能耗的公共建筑中应用能达到节能要求 能耗现状 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 常用冷热源方案组合 1 冷水机组供冷 热网或余热 废热 供热 2 冷水机组供冷 天然气或煤气供热 3 冷水机组供冷 燃煤锅炉供热 4 冷水机组供冷 燃油 气 锅炉供热 5 冷水机组供冷 电锅炉供热 6 蒸汽 热水 溴化锂吸收式冷水机组供冷 燃煤锅炉供热 7 燃油 气 直燃式溴化锂吸收式冷水机组供冷 燃油 气 锅炉供热 8 燃油 气 直燃式溴化锂吸收式冷热水机组供冷 供热 9 热泵冷热水机组供冷 供热 10 建筑冷热电联供系统 bchp 高能耗的原因 目前 大多数公共建筑采用热泵空调机组和锅炉两套设备来实现夏季供冷 冬季供暖 冷 热源机组能效比低 能耗现状 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 发展趋势 全世界 已安装800000套机组总容量9500兆瓦热量年增长率为10 美国 年安装50000套机组瑞典 德国 瑞士是欧洲的主要市场 地源热泵工程应用现状 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 发展趋势 2001年11月14日布什总统和劳拉在他们位于德克萨斯克劳福特的加州接待来访的普京总统和夫人 去年 他们刚刚将家中的空调系统升级为地源热泵系统 在新闻记者面前 布什总统多次提及地源热泵系统是如何在德克萨斯炎热的季节里给他们带来凉爽和清新的 一对竞争对手不约而同地将其私家别墅的空调改造为地源热泵系统 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 据 星期日泰晤士报 05年8月21日报道 素以生活奢华而为民众诟病的英国王室 也将加入 建立节约型社会 的行列 英国女王日前下令 在白金汉宫建立一个利用天然地热供暖的地源热泵系统 从而削减王室高昂的能源费用 但这一打造 节约型王宫 的浩大工程 将节约英女王大量费用 发展趋势 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 国内工程应用现状 2005年 建设部将地源热泵技术列为建筑业十项新技术之一 到2005年全国范围内共有地源热泵应用工程2537项 发展趋势 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 近年来地源热泵工程应用日益增多 土壤源热泵技术在我国尚处于起步阶段 结合工程实例 对土壤源热泵空调系统的节能及经济性能进行分析 并阐述了设计和施工的特点 提出了经比较后的优化设计方案 还提出了 冷却塔辅助冷却土壤源热泵 和 太阳能辅助加热土壤源热泵 的方法 并对其原理 负荷计算 系统设计 经济分析等方面作了介绍 发展趋势 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 几种制热方式的能量利用系数 几种供热方式对环境的影响 提供同样的100kj热量 经济分析 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 橄榄 特性 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 系统负荷计算 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 土壤源热泵技术参数 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 两种空调系统投资成本分析表 经济分析 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 经济分析 夏季 通过对土壤源热泵系统空调侧冷冻水进出口温度 流量和埋管侧冷凝水进出口温度 流量的测量 计算制冷量 与机组消耗功率相除得到机组cop基本稳定在5 3左右 比传统空调系统夏季cop 2 9高近83 冬季 通过对土壤源热泵系统供暖侧冷凝水进出口温度 流量和埋管侧冷冻水进出口温度 流量的测量 计算得热量 与机组消耗功率相除得到机组cop基本稳定在4 3左右 相对于传统空调系统冬季cop 2 8高近54 土壤源热泵中央空调系统与单冷机 冷却塔 电锅炉的中央空调系统相比 在夏季制冷的同时供卫生热水 节约38 的运行费用 在冬季制热和制卫生热水时能节约65 的运行费用 过渡季节提供生活热水时能节约70 的运行费用 土壤源热泵系统性能及环境效益 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 本工程为江苏省海安县行政中心 建筑面积约73000m2 高度75m2 分为1 2 3个区 一区为档案馆 空调面积5141 5m2 冷热负荷分别为500kw和500kw 二区为主楼 空调面积48590 4m2 冷热负荷分别为5000kw和4500kw 三区为会议餐饮楼 空调面积5139 9m2 冷热负荷分别为1000kw和500kw 经逐时负荷计算 最大空调瞬时冷负荷出现在14时 海安县行政中心建筑照片 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 地埋热交换器设计 设计施工 单u62m深埋地换热管在不同进水温度 不同循环水流量下的换热能力 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 双u94m深埋地换热管在不同进水温度 不同循环水流量下的换热能力 单u96m深埋地换热管在不同进水温度 不同循环水流量下的换热能力 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 埋地换热管循环水进出口温差 地下土壤温度测量区间地下土壤平均温度15 6 根据实测结果在35 37 进水条件下 单u62m埋地管和单u96m埋地管的单位长度换热率基本相同 每米井深换热量为70w m井深 双u94m埋地换热管每米井深换热量为90 5w m井深 采用双u埋地换热管每米井深的换热能力比单u的大29 3 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 根据实测的换热率结果 以及初投资和场地情况 实现6500kw的散热量 采用如下设计方案 本工程室外地源换热器分为15个区域 钻井数量为900个 井深90米 井位呈矩形排列 相邻两井间距4米 总钻井深度约为81000米 dn32双u埋地换热管 安全系数20 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 全年土壤热平衡 从以上计算可知 经过非空调季节土壤的扩散 土壤下水的流动 加生活热水平衡冷 热负荷后 土壤下土壤的温度逐年积累上升幅度很小了 几乎不上升 系统很稳定 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 地埋管选择 地埋管hdpe3408的性能表 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 地源井回填料选择 根据土壤资料 本项目的主要岩土层为中密粉砂层 其导热系数为2 1 2 3w m k 配置的回填材料 既要保证回填料不论是夏季还是冬季都必须紧密土壤与hdpe管贴在一起 在低温时不发生龟裂 还要保证回填材料的导热系数大于当土壤岩层的导热系数 本项目的回填料选用5 的膨润土加95 的细砂混凝土混合料 其导热系数为2 4 2 8w m k beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 空调机房主要设备配置表 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 本方案设计的主机系统运行时 仅通过控制主机台数和压缩机台数的运行 在夏季能满足主楼系统满负荷从10 98 区域29段的部分负荷调节 在冬季能满足整栋建筑物满负荷从11 101 区域26段的部分负荷调节 且分段区域长度比较均匀 基本上满足空调系统正常情况的使用要求 同时也符合空调系统的一般运行规律 主机始终处于最高能效比状态运行 土壤源热泵系统运行控制 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 土壤源热泵系统运行费用 夏季运行费用49万元 冬季运行费用45万元 全年的运行费用94万元 全年每平方米的耗能费用仅为12 88 年 m2 空调系统的初期投资只是这冰山的一角 长期的运行和维护费用隐藏在这里而常常被忽视 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 地埋部分主要施工方法 设计施工 本工程室外地源换热器分为15个区域 钻井数量为900个 井深90米 井位呈矩形排列 相邻两井间距4米 总钻井深度约为81000米 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 灌浆回填散管技术 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 钻孔埋管流程 进入机房 穿过墙孔 回填 水平集管 试压 核实图纸 定点放线 找正粗平 钻孔 回填 安装就位 检查井架及施工机械 敷设管道 试压 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 下管 回填 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 下管 回填 设计施工 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 hdpe管试压 试验压力 当工作压力小于等于1 0mpa时 应为工作压力的1 5倍 且不应小于0 6mpa 当工作压力大于1 0mpa时 应为工作压力加0 5mpa beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 设计施工 得出了下列主要结论 1 土壤源热泵施工前进行地埋换热性测试 并根据冬夏冷热平衡确定地埋管方式和数量是很关键的 设计是否合理直接关系到系统的初投资和运行效率 2 土壤源热泵主机设备和控制方式形式很多 从建筑性质 初投资 运行管理和能耗等多方面考虑 不是每一种方式都很适合 通过上面的比较 集中分台控制式土壤源热泵系统适合面积比较大的 功能相对单一的建筑 3 施工方法对保证系统的稳定性也具有非常关键的作用 本文介绍的正循环回转钻井与灌浆回填散管技术经实践证明是很有效的施工方法 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 辅助冷却地源热泵系统示意图 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 新台州大厦位于台州市淑江区内 建筑面积约45000平方米 其中商场建筑面积33000平方米 酒店建筑面积为12000平方米 冷却塔辅助冷却土壤源热泵工程实例分析 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 室内空调负荷配置 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 冷热源选择 宾馆部分设置了17台土壤源模块机组 夏季 11台单冷模块投入运行 总冷量为1760kw 6台模块热泵机组的冬季制热量为1080kw 减去宾馆总热负荷970kw后 富余110kw 作为热回收热量 免费提供卫生热水 在商场区 采用了两台水冷螺杆冷水机组 总制冷量为3870kw 另外6台模块化土壤源热泵机组的制冷量960kw 同时 可免费提供卫生热水热量为300kw 冬季制热量为1080kw 减去采暖制热量933kw后 富余147kw作为热回收制取热水的热量 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 土壤源热泵和冷却塔复合系统流程图 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 土壤源热泵复合系统与水冷机组加燃气锅炉系统经济对比 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 太阳能辅助加热的土壤源热泵复合系统示意图 beijingtsinghua北京清华城市规划设计研究院urbanplanning designinstitute 复合系统 太阳能辅助加热土壤源热泵工程实例分析 本工程包括一栋厂房 6栋职工宿舍 一栋食堂 一个库房及一栋办公楼 共有建筑面积35793m2 有3000职工上 下班 厂房内原有的建筑夏季采用风冷式空调制冷 冬季采用油锅炉集中采暖 整个厂区的生活热水与采暖系统共用油锅炉 采用时间控制的方式定时集中供应 厂区环境优美 道路 绿化的面积为38122m2 可有效利用的空地面积为8000m2 完全符合利用土壤源热泵供热 制冷及利用太阳能蓄热供生活热水的条