某综合楼地源热泵空调系统设计_吴芳.pdf

图1办公楼外观 垂直埋管 摘要 介绍了某综合楼运用的地源热泵空调系统 从初投资和运行费用方面将地源热 泵空调系统与传统的水冷螺杆机组 燃气锅炉系统进行了比较 分析了地源热泵空调系统的 地域和节能优势 关键词 地源热泵 顶棚辐射 水环热泵 经济性分析 节能 G r o u n d S o u r c eH e a t P u mpA i rC o n d i t i o n i n gD e s i g no f aC o mp l e xB u i l d i n g B yWuF a n g A b s t r a c t P r e s e n t st h e g r o u n d s o u r c e h e a tp u m p a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m i n t h i s b u i l d i n g a n d c o m p a r e si tw i t h t h ec o n v e n t i o n a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m o fr o t a r y s c r e w c h i l l e rR a d i a n tC e i l i n g Wa t e r L o o p H e a tP u m p E c o n o m i cA n a l y s i s E n e r g yE f f i c i e n c y 上海建筑设计研究院有限公司海南分院吴芳 某综合楼地源热泵空调系统设计 作者简介 吴芳 女 学士 2 0 0 0年毕业于哈尔滨工业大学 原哈建大 供热空调与燃气专业 工程师 在读工程硕士 S h a n g h a iE n e r g y 节 能 技 术 4 8 上海节能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 1工程概况 某综合楼地处华东 属夏热冬冷地区 建筑物 为地下2层车库 地上3层裙房和1 6层主楼办公 区 总建筑面积约3 4 0 0 0 m 2 高度约7 5 m 大家知道 3 m以下的土壤温度 全年较为稳 定 接近年平均气温 一般为1 0 2 5 地源热泵的 制冷 制热系数可达3 5 4 4 与空气源热泵相比 要高出4 0 左右 其运行费用仅为普通中央空调 的3 0 5 0 地源热泵空调不需锅炉房 烟囱及锅炉燃料供 应系统 增加了建筑的使用面积 减少了日常运行 维护费用 需要经常保养的仅是空气过滤网和凝结 水盘的清洁 无废水废气排放 噪声低 提高了环保 效果 水环路热泵 Wa t e r L o o pH e a tP u mp 简称 WL H P 空调系统 当内区需要供冷而周边区需要供 热时 内区的热量 就可被周 边 区 所 利用 即内区空调 的排热与 周 边 区 供热所需 热 量 接 近平衡时 室外的 冷热源可以停运 这种供冷 供 热 同 时进行 能量在建 筑物内部转移 运 行费用最少 节能 效果明显 图2主楼办公区空调系统原理图图3裙房商业区空调系统原理图 空调区域 主楼办公区 裙房商业区 合计 空调面积 m 2 1 1 0 0 0 7 2 0 0 1 8 2 0 0 冷负荷 k W 1 2 5 0 1 9 0 0 3 1 5 0 热负荷 k W 8 8 0 8 3 0 1 7 1 0 热泵机组数量 台 2 地源热泵 1 0 1 水环热泵 1 0 3 表1空调设计总负荷 空调区域 办公 商业 门厅 走道 会所 温度 2 5 2 5 2 6 2 6 2 5 相对湿度 5 5 6 0 6 0 6 0 5 5 冬季设计 温度 2 0 2 0 1 8 1 8 1 8 新风量 m 3 人 h 3 5 2 0 2 0 A声级噪声标准 d B 5 0 5 5 5 5 5 5 5 5 夏季 表2室内设计参数 S h a n g h a iE n e r g y 节 能 技 术 4 9 上海节能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 综上所述 地源热泵空调系统具有良好的节能 效果和环保效果 值得在本工程中应用 2空调区域主要技术指标 见表1 表2 3空调系统 主楼办公区采用垂直地埋管地源热泵空调 顶 棚辐射进行供冷和供暖 裙房商业区采用水环热 泵 冷却塔 地埋管的复合型地源热泵空调系统 该 综合楼外观见图1 系统工作原理见图2和图3 3 1冷热源设备 根据负荷计算结果 主楼办公区选用两台 MWH 1 8 0 C B型土壤源热泵机 组 每 台 制 冷 量 6 2 6 k W 制热量4 9 4 k W 并采用顶棚辐射供冷和供 暖 夏季由地源提供冷水 一路经过板式换热器提 供楼板埋管用水 空调供回水温度1 7 2 1 另 一路直接提供屋顶新风机组 夏季新风空调机组供回水温 7 1 2 冬季由地源提供 热水 冬季楼板埋管空调供回 水温度2 9 2 5 冬季新风 空调机组供回水温度3 5 3 0 夜间低电费时间热泵机 组运行供楼板埋管系统预冷 建筑并蓄冷于楼板 峰值负荷 时机械制冷辅以楼板释放冷 量 低值负荷时楼板预冷蓄 冷 满足空调夏季热平衡 裙房商业区采用复合型 地源热泵空调系统 夏季极端 季节以地埋管散热为主 闭式 冷却塔辅助散热 主机采用分散式水环热泵机组 吊装于各商业用房内 水环热泵机组夏季冷却水供 回水温度3 5 3 0 3 2室外土壤换热系统 本设计采用垂直埋管系统 由专业厂家对项目 区域进行地质勘查 并进行土壤的热物性测试 根 据地质结构情况 测井资料以及区域地质和水文条 常规空调 1 水冷式冷水机组3台 制冷量 1 0 5 0 k W 输入功率 2 1 5 k W 2 冷冻水循环泵3台 1 8 2 m 3 h 3 0 k W 3 冷却水循环泵3台 2 2 0 m 3 h 4 5 k W 4 热水循环泵 变频控制 3台 1 6 0 m 3 h 3 0 k W 5 水 水板式热交换器1台 热交热量 1 8 0 0 k W 6 常压燃气热水锅炉3台 制热量1 8 MW 天然气耗量 2 2 0 N m 3 h 7 冷却塔 冷却水流量 2 2 0 m 3 h 3台 配电功率 1 0 k W 3台 地源热泵空调 1 地源热泵机组2台 制冷量 6 2 6 k W 输入功率 6 2 6 k W 2 冷冻塔散热1台 冷却水流量 3 0 0 m 3 h 配电功率 2 7 k W 3 空调循环冷水泵6台 此处略 4 冷却水循环泵1台 3 0 0 m 3 h 3 5 m 4 5 k W 5 水 水板式热交换机组1套 热交热量 4 5 0 k W 6 卧式整体水环热泵及 整体水环热泵新风机组 共1 0 1台 此处略 7 闭式膨胀罐定压补水系统 1套工程 常压罐容积1 0 0 0 L 3 k W 备注 1 地源热泵设计运行工况 制冷时负荷侧1 2 7 地源侧2 5 3 0 制热时负荷侧4 0 4 5 地 源侧1 0 5 2 螺杆式冷水机组工况 冷却水3 2 3 7 冷冻水 1 2 7 表3两种空调方案冷热源设备配置表 S h a n g h a iE n e r g y 节 能 技 术 5 0 上海节能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 件情况 运用专业设计计算软件选择室外换热管长 度和数量 考虑了一定的裕量后共设置了2 3 2组 垂直U型换热管 埋深8 0米 3 3室内末端风 水系统 办公和商业两个区域需要独立管理 空调水系 统和地埋管系统均分别设置两个系统 裙房商业各区域采用吊装式水环热泵空调机 组 新风预处理机组 主楼办公区采用顶棚辐射 置换式新风系统 夏季辐射管网中通入循环冷水 带走室内显热 冬 季通入循环热水 带走室内部分负荷 置换式新风 系统承担室内潜热负荷 采用转轮式全热回收新风 机组 地板送风 从走道天花排风 顶棚辐射为楼板 埋管 参见图4 4地源热泵空调系统与水冷螺杆冷水机组 燃油 锅炉系统的经济性比较 目前 国内 大中型建筑的中 央空调冷热源 仍 以 冷 水 机 组 锅炉 形式 为主 在夏热冬 冷地区 这种形 式的空调系统运 行效率高 空调 效果好 但运行 能耗不小 现针 对本项目 将地 源热泵空调方案 与常规的以 冷 水机组 锅炉 为冷热源的空调系统在节能性与经 济性方面作一比较 4 1两种空调方案的冷热源设备配置 见表3 图4顶棚辐射楼板埋管示意图 常规空调 夏季运行费用 冬季运行费用 维护费用 合计 地源热泵空调 5 0 3 2 2 8 4 备注 3 5 2 3 2 6 0 表4两种空调方案冷热源运行费用比较 单位 万元 S h a n g h a iE n e r g y 节 能 技 术 5 1 上海节能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 4 2两种空调方案的初投资比较 地源热泵空调系统的初投资约为4 4 0万元 其 中地源热泵约2 6 0万元 包括室外地埋管 钻孔及 土方等费用 循环水泵约7万元 冷却塔约3万元 卧式整体水环热泵约1 5 0万元 其他约2 0万元 常规的 冷水机组 锅炉 空调系统的初投资 约为3 8 7万元 其中冷水机组约1 7 0万元 循环水 泵约1 0万元 冷却塔约7万元 燃气热水锅炉约 1 8 0万元 其他约2 0万元 由上述内容可知 与常规空调系统相比 地源 热泵空调系统增加的初投资成本为4 4 0万元 3 8 7 万元 5 3万元 末端视为相同部分 本文不作比较 4 3两种空调方案的运行费比较 假设空调年供冷运行时间共1 2 0 0小时 年供 热运行时间共9 6 0小时 设供冷和供热在1 0 0 7 5 5 0 和2 5 负荷下的运行时间分别占总时 间的1 0 3 0 5 0 和1 0 可计算出空调系统 冷热源设备年运行费用 如表4所示 注 由于本项目未建成 两种空调方案的运 行费用目前均为估计值 能源价格按当地市场价格 电价0 7 9 8元 k Wh 加权平均值 天然气2 8 0元 m 3 末端视为相同部分 本文不作比较 由表4可知 两者运行费用相差约为 8 4 6 0 2 4万元 年 地源热泵系统的简单回收期 2 2 1年 地源热泵机组设计使用年限2 0年 室外地埋 管设计使用年限7 0年 系统运行2 0年节约的费 用为 2 4万元 年 2 0年 4 8 0万元 5自动控制 5 1主楼办公区水泵控制方式 根据负荷变化 空调水系统设压差旁通阀进行 地源热泵台数控制 5 2裙房商业区水泵控制方式 1 空调季节 根据水环热泵负荷最不利环路 侧压差 先控制冷却塔开启和变频运转 当冷却水 泵停止时 控制地源热泵变频运转 2 过渡季节 根据水环热泵负荷最不利环路 侧压差 先控制地源侧水泵开启和变频运转 当地 源侧水泵停止运行时 控制冷却塔水泵变频运转 5 3转轮式全热回收新风机组 1 空调季节 开启转轮式热交换器 回收排风 中的全热负荷 2 过渡季节 关闭转轮式热交换器 开启相应 新排风旁通风阀 并在空调箱的混合段后设置空气 净化器 6结论 1 以地处华东地区的某综合楼为例进行经济 技术分析的结果表明 采用地源热泵空调系统 部 分室内机采用水环热泵机组 比采用普通的水冷冷 水机组 锅炉的空调系统初投资增加约1 4 年运 行费用节约2 9 左右 简单的回收期为2 2年 2 地源热泵的应用还存在诸如其效果受土壤 或岩石特性影响较强 初投资较高 缺少针对土壤 热物性参数的研究成果 缺少最佳匹配参数 缺少 动态特性研究等方面的影响因素 需要设计人员在 工程设计中多积累多思考 将技术的可靠性和节能 性 环保性有效地结合起来 参考文献 1 吕悦等 国内地源热泵应用情况调查报告 工程建设与设计 2 0 0 5年第6期 2 地源热泵系统工程技术规范 中华人民共 和国国家标准G B 5 0 3 6 6 2 0 0 5 2 0 0 5 3 徐伟等译 地源热泵工程技术指南 北京 3月2 1日上午 上海市能源研究会和上海 科学院邀请国际能源署 I E A 中国能源项目经 理辛顿博士和能源经济分析处的陈小宝研究员 在科学会堂作了 世界能源展望2 0 0 7 中国和 印度的探索 的报告 会议由中国工程院院士 上海市能源研究会理事长翁史烈主持 出席的上 海代表4 5人 江苏和浙江的能源研究会秘书长 也参加 辛顿博士和陈小宝研究员就世界能源 发展形势 中国和印度的探索 用大量的数据 和图表进行了讲解 报告中谈到 世界经济的增 长速度从2 0 0 5年的4 9 上升到了2 0 0 6年的 5 5 这一增长主要是由发展中国家拉动的 中 国和印度成为主要的推动力量 中国G D P增长 1 1 1 印度G D P增长9 7 2 0 0 5年 中国已 经成为世界上仅次于美国和日本的第三大石油 进口国 在2 0 0 6年的石油消费量中 进口量接 近消费量的一半 到2 0 3 0 净进口量净将占总需 求的8 0 中国所面临能源政策挑战在很大程 度上是由国家的社会经济政策目标决定的 其 中最重要的就是需要以更公平 更具环境可持续 性的方式保持经济快速发展和国民产出增长 只 有这样才能使能耗强度低于目前水平 采用一 定的数学模型对中国未来的能源需求进行了预 测 到2 0 3 0年 中国的一次能源需求量将从 2 0 0 5年的1 7 4 2亿吨标准油攀升到3 8 1 9亿吨 标准油 年均增长率为3 2 到2 0 3 0年中国的 煤炭净进口量将占到其总需求的3 占全球煤 炭贸易的7 石油净进口量将占总需求的 8 0 2 0 1 0年之后不久 中国将超过美国成为世 界上第一大能源消费国 印度的能源消费同样 处于快速增长期 2 0 0 5年 一次能源需求量为 5 3 7亿吨标准油 煤炭占3 9 石油占2 4 到 2 0 3 0年将达到1 5 0 4亿吨标准油 年均增长 4 2 中国和印度经济的快速发展 势必推动全 球的能源需求 但同时也为全球其他地