中铁建办公楼地源热泵空调可研报告

1、中铁建办公楼地源热泵系统中铁建办公楼地源热泵系统 可行性研究报告可行性研究报告 山东建筑大学山东建筑大学 地源热泵研究所地源热泵研究所 目录目录 0 研究报告概要4 第一章 项目综述11 1.1 气象地理条件.11 1.2 项目概况.11 1.3 计算依据.12 1.4 建筑资料.12 第二章 建筑的冷热负荷14 2.1 室外设计计算参数.14 2.2 室内设计计算参数.15 2.3 建筑负荷估算.15 2.4 主要设备容量的选择.16 第三章 地源热泵空调技术的适宜性19 3.1 地源热泵空调系统简介.19 3.2 地源热泵在本项目中应用的适宜性.22 3.2.1 地质条件.22 3.2.2

2、 气候条件.22 3.2.3 建筑负荷特性.23 3.2.4 地埋管所需空间.23 3.2.5 地源热泵系统的冷热平衡.24 3.3 地源热泵空调全寿命周期技术经济分析.26 3.3.1 与常用空调系统的运行费用比较.26 3.3.2 与常用空调系统的初投资比较.27 3.3.3 与常规空调全寿命周期的回收期分析.28 3.3.4 与常规空调全寿命周期的技术分析.29 第四章 地源热泵系统埋管工程技术方案30 4.1 土壤热工实验30 4.1.1 概述30 4.1.2 单位孔深地埋管的换热量与建议30 4.2 方案设计35 4.2.1 土壤换热系统换热量计算35 4.2.2 土壤换热系统的设计

3、35 第五章 室内空调末端系统39 5.1 中央空调末端形式及原理39 5.2 地源热泵系统室内末端设备的选择与比较39 第六章 地源热泵监测与控制系统43 6.1 地源热泵监控系统的主要功能43 6.2 地源热泵自动控制系统45 6.3 运行维护48 第七章 技术支持50 0 研究报告概要 一、三种方案及其比较一、三种方案及其比较 中铁建 a 座办公楼可能备选的采暖制冷方案有如下三种： 1. 集中式地埋管地源热泵系统 2. 冷水机组与锅炉配套 3. 冷水机组与城市热网配套 以上三种可备选的方案技术经济比较详见表 0.1-0.3。 表 0.1 冷热源系统技术性比较 方案一方案二方案三冷热源方式

4、 及序号 项目 地源热泵 冷水机组与 燃气锅炉配套 冷水机组与 城市热网配套 优点 性能系数高、节能；减少 co2 排放，环保；无室外机， 换热器地下敷设，且冷暖 兼用、节省建筑面积；控 制灵活方便能分区分段或 按房间供冷暖，可靠性高 技术成熟，初投资 少，运行可靠，需 要锅炉房和冷却塔 利用低温水供热是比 较传统的空调冷热源 方式，技术成熟，应 用广泛设备运行可靠 性高。 缺点 需要地下埋管空间，地下 埋管性能比较复杂 能源利用率低，且 排放大量 co2 噪声和振动较大，设 备宜布置在地下机房， 需做好消声、减震措 施 表 0.2 冷热源系统初投资比较 方案一方案二方案三冷热源方式 及序号

5、项目 地源热泵 冷水机组与 燃气锅炉配套 冷水机组与 城市热网配套 冷热水机组（元/kw 冷量） 800500500 燃气锅炉（元/kw 热量） 300 城市热网（元/m2 采暖面积） 100 冷却塔（元/kw 冷量）无 60 地下钻孔及埋管（元/kw） 1500 无 机房水泵、管道、控制基本相同(按 40 元/m2) 建筑物空调末端基本相同（按 110 元/m2） 初 投 资 概 算 比 较 (冷指标 72.6w/m2) 初投资（元/m2） 330267254 比例 10.80.77 表 0.3 冷热源系统运行费用比较 方案一方案二方案三冷热源方式 及序号 项目 地源热泵 冷水机组与 燃气锅

6、炉配套 冷水机组与 城市热网配套 季节夏季冬季夏季冬季夏季冬季 能源形式电电天然气电供热网 单 位hkwhkw m3 hkw/m2 季 价格（元）055 0.553.40.5524.5 负荷累计 kw.h 266396630612102663966306121026639663061210 效 率 5.5450.951 燃料费用 266396.6420916.4304036.31275504.2304036.3 单位燃料费用（元 /m2.） 6.429.787.0629.627.0624.5 机房运行费用（元 /m2.季） 4.5 元/m2.两季 冷却塔运行费用 （元/m2.季） 无2 元/m

7、2.季 全年运行费合计 （元/m2） 20.743.1838.06 费用比例 12.08 184 综上所述: 方案1：用地源热泵有较好的节能效果，初投资较高但运行费用低； 方案2：用锅炉房污染严重，运行简单技术成熟，初投资费用不高 但运行费用很高； 方案3：用冷却塔和市政热力管网，初投资费用较低，运行费用也 不高，但节能效果不明显。 二、方案的确定二、方案的确定 该办公楼采用集中式热泵机组和集中设置地埋管地热换热器相结 合的采暖空调形式,可行、可靠、高效。 可行性分析可行性分析 1. 当地气象条件及地质构造当地气象条件及地质构造 济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的 影响，

8、属于暖温带半湿润大陆性季风气候。其特点是季风明显，四季 分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季气温低， 但无严寒。年平均气温14.3，极端气温最高40.5，最低零下 14.9。 从地埋管热泵的工作原理可知该系统在冬冷夏热的地区（即全年 冷热负荷较为均衡的建筑物）可以充分发挥大地储能的作用，具有较 高的运行效率。因此该项目具备地源热泵空调技术应用的基本气候条 件。 2. 建筑物对空调的需求建筑物对空调的需求 该工程为高档住办公楼，对室内空调要求较高，不仅需要冬季供 热，而且夏季需要供冷。如果采用传统的水冷机组加城市热网系统， 则需要两套设备，不仅增加运行费用，同时从环境保护方面看，

9、城市 集中供热系统消耗大量的一次能源，排放的有害气体则对大气环境造 成污染。而冷水机组则是在制冷时将室内的热量以废热形式排放到室 外大气中，该系统的性能随室外空气温度升高而显著降低，机组制冷 性能及效率较低，耗能较高。同时排放到环境中的废热无疑更加剧了 夏季城市热岛效应。 3. 地源热泵系统的冷热平衡地源热泵系统的冷热平衡 由负荷计算结果知，全年冬季耗热量远大于全年夏季耗冷量，耗 冷量为2663916kwh，耗热量为3061210kwh。地埋管夏天需要往地下 排热量为2663916 kwh，冬天需要从地下取热3061210kwh，地下埋管 全年冷热量不平衡率为13%。图1为地源热泵系统运行20

10、年期间的循环 液进出热泵的月平均温度变化曲线。由图1可以看出，在运行一个采 暖与空调周期后地下岩土温度变化幅度很小，但由于地埋管的年取热 量略微大于年释热量，所以地下的温度变化总体上呈缓慢下降的趋势。 取距离周边钻孔10m 远处的岩土温度作为钻孔群所处位置的岩土 参考温度。由图1还可以看出，经过20年的模拟运行之后，距离钻孔 10m远处的平均岩土温度仅仅比初始温度的16降低了约1。这说明 地埋管在一年的运行周期内，向地下的散热量与从地下的取热量基本 保持平衡，地下岩土温度在一个采暖与空调周期后基本回复到初始温 度，这就保证了系统的高效率运行。 值得注意的是，即使设计工况为理想工况，即地下岩土的

11、取热与 散热在一个周期内达到平衡，但在实际运行中，地下岩土的年吸、释 热量并非要求绝对的平衡，模拟设计结果表明不平衡率在20%以内是 可以接受的。当然，这种允许的不平衡率会随着不同地区和岩土的热 物性、地埋管换热器所在地点有无地下水流动及其流动特点，以及建 筑物的冷热负荷变化等因素有关，是因地而异的。如果整个地埋管区 域存在缓慢的地下水的渗透流动，则对地温的恢复有积极的影响。可 以通过埋地的温度传感器来监测地温变化情况，据此进行运行调节。 图1 系统运行20年的月温度变化模拟曲线 由于系统的不平衡率比较小，可以通过以下方法来缓解冷热不平衡。 （1）采取分户热计量，提高冬季采暖行为节能的自觉性，

12、提高 能源利用率，降低冬季负荷； （2）适当增加夏季空调运行时间。 （3）适当提高夏季热泵机组冷却水的进出水温度，增大释热量。 （4）增大埋管间距，降低埋管间的热干扰，增大蓄热体。 （5）间歇运行，有利于地温的恢复 4. 建筑中利用可再生能源符合国家建筑节能政策建筑中利用可再生能源符合国家建筑节能政策 建筑中应用可再生能源，利国、利民、利己。在建筑中应用地源 热泵系统，对于后期申报绿色建筑，申请政府补贴，创造了先决条件； 对于提升项目档次、品味，实现长期高效、节能运行奠定了重要的物 质基础。 三、结论三、结论 由于该地区附近无热电厂和区域锅炉房，根据各方案的技术可行 性与经济比较，拟选用方案1

13、，地源热泵系统既符合当前国家的节能减 排的方针政策，运行费用也较低，当然每个方案都不是完美的，地源 热泵的初投资较高，但要考虑长期运行费用和长远的利益，故拟选用 方案1，方案2是比较常用的空调系统，运行费用也不高，可作为备选 方案。 第一章 项目综述 1.1 气象地理条件气象地理条件 本项目位于济南市。济南属于北温带季风型大陆性气候,四季变化 和季风进退都较明显。与同纬度的内陆地区相比,具有雨水丰富、年温 适中、气候温和的特点。 1.2 项目概况项目概况 中铁建办公楼位于济南市历城区奥体西路西侧，南邻经十路，规 划总用地为 41501.5。本工程为高档办公楼，主体建筑分主楼和裙 楼主楼楼层为

14、26 层，裙楼为 3 层，地下二层。建筑面积为 40355， 主楼部分 36975，裙房部分 5680，机房其他 400。该办公楼的 冷负荷为 4520.775kw，热负荷为 3229.125kw。图 1 为建筑平面布置 图。 图 1 中铁建集团办公楼平面图 1.3 计算依据计算依据 1、 采暖通风与空气调节设计规范gb500192003 2、 高层民用建筑设计防火规范gb50045-95 (2005年版) 3、 建筑给水排水设计规范gb50015-2003 4、 全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调 动力 5、 全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水 6、 建筑给水排水及采暖工程施工质量验

15、收规范gb50242-2002 7、 通风与空调工程施工质量验收规范gb50243-2002 8、 供水水文地质勘察规范gb 50027-2001 9、 埋地聚乙烯给水管道工程技术规程cjj101-2004 j362-2004 10、 地源热泵系统工程技术规范 gb 50366-2005（2009） 11、 外墙外保温应用技术规程dbj14-035-2005 12、 埋地聚乙烯给水管道工程技术规程 cjj101-2004 13、 建筑节能工程施工质量验收规范gb50411-2007 14、 中华人民共和国节约能源法 15、 中华人民共和国可再生能源法 1.4 建筑资料建筑资料 各个围护结构的热

16、物性参数如下： (1) 外墙：建筑外墙为 200 厚加气混凝土砌块墙, 管井局部 100 厚， 填充墙为加气砼砌块，采用粘贴 40 厚挤塑型聚苯板外保温， 传热系数为 0.345 w/k。女儿墙、阳台、外挑构件、管道穿 墙采用 25 厚聚苯颗粒保温砂浆保温。 (2) 隔墙：采用 20 厚胶粉聚苯颗粒保温层，导热系数为 1.368 w/k。 (3) 窗户：外窗采用铝合金隔热断桥中空玻璃窗（low-e 玻璃或普通 玻璃） ，以提高建筑物的整体节能效果。传热系数为 2.70 w/ k。 (4) 屋面：采用粘贴 100 厚挤塑型聚苯板外保温，传热系数为 0.427 w/k。 (5) 户门：采用保温防盗

17、安全门，传热系数为 2.00 w/k。 (6) 门窗建筑物理性能 1）抗风压性能:4 级 p3 2.5kpa； 2）空气渗透性能(气密性):4 级 q11.5m3/m.h； 3）雨水渗漏性能(水密性): 5 级 p 500pa 4）保温性能:空气层厚度: 6mm, k 2.79 5）隔声性能:3 级 rw 30db 第二章第二章 建筑的冷热负荷建筑的冷热负荷 2.1 室外设计计算参数室外设计计算参数 济南市纬度 37, 经度 11698。 冬夏季各气象参数如下： 夏季室外计算干球温度 34.8 夏季室外计算湿球温度 31.3 夏季大气压力 99850 pa 最热月室外计算平均湿度 73% 夏季

18、室外平均风速 2.80 m/s 冬季室外采暖计算温度 -7 冬季室外空调计算温度 -10 冬季室外相对湿度 54 冬季大气压力 102020 pa 冬季室外平均风速 3.20 m 济南地区典型年的室外日平均温度，极值温度变化曲线见图 2.1 （数据来自建筑负荷计算软件 dest 数据库） 。 各各天天干干球球温温度度统统计计 -20 -10 0 10 20 30 40 1-12-13-14-15-16-17-18-19-110-111-112-1 干球温度（） 日平均温度()日最高温度()日最低温度() 图 2.1 济南全年室外日平均温度、极值温度变化曲线 2.2 室内设计计算参数室内设计计算

19、参数 表 2.1 室内设计参数 温度相对湿度% 房间名称 夏季冬季夏季冬季 新风量 m3/(h人) 客房24271822654050 会议室2427182265403050 贵宾休息室2622654030 服务室2522654020 办公室2326202265403550 多功能厅2422653025 表 2.2 公共建筑节能设计标准 gb50189-2005 公共建筑房间类型 照明功率密度 f1 (w/m2) 人均占有使用 面积 m2/人 电气功率密度 f2 (w/m2) 普通办公室11420 高档办公室18813 设计室18813 会议室112.55 走廊5500 办公建筑 其他11205

20、 2.3 建筑负荷估算建筑负荷估算 建筑的冷、热负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。由于本 工程现阶段只是对地源热泵空调系统方案进行可行性论证，所以仅对 该工程的冷热负荷进行简单估算，详细的全年逐时动态负荷计算在方 案确定后的设计报告中给出。 由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准居住建 筑节能设计标准中的各项规定，节能可达到65%的要求，考虑一定 的安全余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为75w/m2；冷负荷指标 为105w/m2。则该办公楼的设计热负荷为3229.125kw，冷负荷为 4520.775kw。冬季夏季运行天数分别按120天和90天计,对于办公楼来 说冬季采暖空调系

21、统每天运行时间取10小时；夏天制冷空调系统每天 平均运行时间取8小时。负荷指标在不同月份考虑一个不同的运行系 数，则可粗略得到全年采暖与空调期累计建筑物、地下提取与释放的 负荷。估算中夏季热泵机组cop值按5.5计算，冬季cop值按4计算。 2.4 主要设备容量的选择主要设备容量的选择 （1）空调冷热负荷 建筑物的设计热负荷为 3229.125 kw，冷负荷为 4520.775 kw。 考虑到该办公楼的同时使用系数为 0.9，则峰值热负荷为 2906.2 kw，峰值冷负荷为 4068.7 kw。 （2）冷、热源 配置三台地源热泵机组，每台机组制冷量为 1578kw、制热量： 1725kw。考虑

22、到该办公楼的功用与特性，选用三台热泵机组，便于 运行调节，有利于运行节能，降低运行费用。夏季机组为制冷工况， 提供冷冻水供、回水温度为 712的冷水；冬季机组为供热工况、 提供采暖用热水，供回水温度为：4045。 根据建筑物的冷热负荷初步估算热泵机组的容量。主要设备的选 型见表2.3. 表2.3 主要的设备设计容量 主要设备选型 名称规格数量备注 地源热泵冷热水机 组（冷媒为 134a） 制冷量：1725kw； 制热量：1578kw 3 台 为制冷工况、提供供、回水 温度为 712的冷水； 为供热工况、提供供回水温 度为：4045热水。 冷热水循环水泵 流量：290m3/h 杨程：28mh2o

23、 4 台三用一备 地埋管侧循环水泵 流量：420m3/h 杨程：28mh2o 4 台三用一备 竖直地埋管120m 孔深，760 个孔91200m 不包括水平地埋管 及分集水器 （3）地埋管方案 地埋管初步设计钻孔深120m，钻孔760个，竖直总埋管量为 91200m孔深。根据地质及环境条件，确定采用竖埋管形式，钻孔孔径 160mm，钻孔间距5m，单u形管，管径de32mm。为使地埋管之间容 易达到水力平衡，地埋管换热器布置结构采用同程和对称布置形式。 按照每个钻孔占地下面积25 m2计，约需埋管面积19000 m2。 第三章第三章 地源热泵空调技术的适宜性地源热泵空调技术的适宜性 3.1 地源

24、热泵空调系统简介地源热泵空调系统简介 地源热泵是一种利用大地作为冷热源的热泵，通过热泵机组对建 筑物实现供暖，空调及提供生活用热水，见图3.1。地源热泵地上部分 与普通热泵相同，所不同的是通过埋设在地下岩土中的地热换热器将 热量释放给土壤或者从土壤中吸收热量。从能量守恒的角度看，一个 精心设计的地源热泵系统其实是以大地作为蓄能器，在夏季通过热泵 机组将建筑物内的热量转移到地下，冷却建筑物的同时储存了热量， 以备冬季使用；冬季通过热泵将大地中的低位热能提升温度后对建筑 物供热，同时将建筑物内的冷量储存在地下，以备夏季使用。该技术 提高了空调系统全年的能源利用效率，真正实现了可再生能源的良性 生态

25、合理地利用。 图 3.1 地源热泵系统原理图 1 2 3 4 6 5 1 土壤热泵空调机组 2 风机盘管 3、4 集、分水器 5 冷冻水泵 6 冷却水泵 土壤热泵加风机盘管空调系统流程图 图 3.2 地源热泵空调系统流程图 地源热泵系统具有如下特点： （1）节能、运行费用低节能、运行费用低 较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于 冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。地源热泵可克服空气源热 泵负荷需求越高，效率越低的技术障碍，显著提高效率。高效率意味 着消耗一次能源少，运行费用少。 （2）环保、洁净环保、洁净 地源热泵系统的运行没有燃烧，没有排烟，大大降低了城镇的大 气污染；

26、据调研，由于需输入的少量的电能维持热泵运转，地源热泵 由此产生的污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少 40以上， 比电供暖的减少 70以上；地源热泵系统供冷时省去了冷却塔，避 免了冷却塔噪音及霉菌污染，以及对大气产生的热岛效应。同时去掉 冷却塔使建筑周边环境更加洁净、优美。 节水省地的地源热泵系统以地下浅层地热能资源为冷、热源，向 其吸收或排出热量，从而达到供暖或制冷的作用，既不消耗水资源， 也不会对其造成污染；地源热泵系统的地埋管可以直接布置在建筑物 的地下空间中，不占使用面积。 （3）一机多用一机多用 地源热泵系统可供热、空调，一机多用，一套系统可以替换原来 的锅炉加制冷机的两套装置或系

27、统；机组紧凑，节省建筑空间，可以 灵活安装在任何地方，末端亦可做多种选择； （4）运行可靠运行可靠 机组的运行情况稳定，几乎不受天气及环境、温度变化的影响， 即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜、除霜之虑；自动化 程度高，系统由电脑控制，能够根据室外气温和室内气温自动调节运 行，运行管理可靠性高；无储煤、储油罐等卫生及火灾安全隐患；机 组使用寿命长，主要零部件少，维护费用低，主机运行寿命可达到15 年以上；机组自动控制程度高，可无人值守。 （5）应用范围广应用范围广 地源热泵系统利用地球表面浅层的地热能资源作为冷热源，进行 供暖、空调。地表浅层的地热能资源量大面广，无处不在，是一种清 洁

28、的可再生能源。随着人们对能源危机和环保问题严峻性的认识的提 高，地源热泵技术在我国建筑空调系统中将会发挥越来越重要的作用。 3.2 地源热泵在本项目中应用的适宜性地源热泵在本项目中应用的适宜性 3.2.1 地质条件地质条件 济南地区属岩石类水文地质构造地区, 基岩硬度较大 ,要用专门 的金刚石牙钻钻孔, 钻孔难度较大。但由于岩石层具有较高的导热系 数，总钻孔量相应减少，总费用增加的幅度不会很大，因此该地区从 地质条件分析可列为地源热泵应用的适宜区。 现场地质状况是现场勘察的主要内容之一。地质状况将决定使用 何种钻孔、挖掘设备或安装成本的高低。现场勘察的详细地质资料见 附件。在实际工程应用中，地

29、源热泵技术的经济性与可操作性还取决 于工程场地的地质构造，水文地质条件，工程施工条件等多种因素。 3.2.2 气候条件气候条件 济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的 影响，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。其特点是季风明显，四季 分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季气温低， 但无严寒。年平均气温14.3，极端气温最高40.5，最低零下14.9。 济南地区建筑的年冷热负荷相差不大，采用地源热泵技术，可以 基本实现夏季向地下蓄热，冬季从地下取热，地热换热器的冷热负荷 全年比较均衡的技术要求，系统运行效率高，因此该地区是地源热泵 技术应用的适宜区域。 3.2.3 建

30、筑负荷特性建筑负荷特性 办公楼的负荷变化一般比较缓慢，在济南地区气候条件下，办公 建筑的空调热负荷指标在 58-81w/ m2，冷负荷指标为 92-120 w/ m2 。 由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准公共建筑节 能设计标准中的各项规定，节能可达到 65%的要求，考虑一定的安 全余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为 75w/m2；冷负荷指标为 105w/m2。节能公共建筑单位建筑面积设计冷热负荷相对稳定，空调 冷热负荷变化缓慢，且全年的累计冷热负荷相差不大，非常有利于地 源热泵系统的运行。这些负荷特点比较适宜地源热泵空调系统。便于 控制系统的初投资，系统运行稳定可靠。 3.2

31、.4 地埋管所需空间地埋管所需空间 对于高档办公楼，建筑容积率比较低。建筑主体周边可用空地面 积较多，可以用来埋管。另一方面可以充分利用建筑物的地下空间来 设置地热换热器，减少对周边地表面积的利用。初步估算本项目有足 够空间埋设地埋管。 3.2.5 地源热泵系统的冷热平衡地源热泵系统的冷热平衡 由负荷计算结果知地下埋管全年冷热量不平衡率为13%。图3.3为 地源热泵系统运行20年期间的循环液进出热泵的月平均温度变化曲线。 由图1可以看出，在运行一个采暖与空调周期后地下岩土温度变化幅 度很小，但由于地埋管的年取热量略微大于年释热量，所以地下的温 度变化总体上呈缓慢下降的趋势。 取距离周边钻孔10

32、m 远处的岩土温度作为钻孔群所处位置的岩土 参考温度。由图3.3还可以看出，经过20年的模拟运行之后，距离钻 孔10m远处的平均岩土温度仅仅比初始温度的16降低了约1。这说 明地埋管在一年的运行周期内，向地下的散热量与从地下的取热量基 本保持平衡，地下岩土温度在一个采暖与空调周期后基本回复到初始 温度，这就保证了系统的高效率运行。 值得注意的是，即使设计工况为理想工况，即地下岩土的取热与 散热在一个周期内达到平衡，但在实际运行中，地下岩土的年吸、释 热量并非要求绝对的平衡，模拟设计结果表明不平衡率在20%以内是 可以接受的。当然，这种允许的不平衡率会随着不同地区和岩土的热 物性、地埋管换热器所

33、在地点有无地下水流动及其流动特点，以及建 筑物的冷热负荷变化等因素有关，是因地而异的。如果整个地埋管区 域存在缓慢的地下水的渗透流动，则对地温的恢复有积极的影响。可 以通过埋地的温度传感器来监测地温变化情况，据此进行运行调节。 图3.3 系统运行20年的月温度变化模拟曲线 如上分析，本项目在设计地源热泵系统时，地下吸放热的不平衡 程度不大。为保证地源热泵系统在长期运行中能高效运行，应减小冷 热负荷的不平衡程度。尽量保证在一个供暖空调运行周期内，地下散 热取热达到基本平衡。 本项目可采用如下措施： （1）采取分户热计量，提高冬季采暖行为节能的自觉性，提高 能源利用率，降低冬季负荷； （2）适当增

34、加夏季空调运行时间。 （3）适当提高夏季热泵机组冷却水的进出水温度，增大释热量。 （4）增大埋管间距 可适当地增加地埋管各钻孔之间的间距，降低埋管间的热干扰， 增大蓄热体，有利于地埋管从周围岩土中的提取热量。 （5）间歇运行，有利于地温的恢复 在冬季气温较高时，可以间歇性地运行或停止部分热泵机组，使 地下岩土蓄热体有较长地温恢复时间，提高换热温差，延长系统在高 效率点的运行时间。 3.3 地源热泵空调全寿命周期技术经济分析地源热泵空调全寿命周期技术经济分析 3.3.1 与常用空调系统的运行费比较与常用空调系统的运行费比较 根据该建筑的市政资源条件、场地条件、建筑功能及负荷特点， 有可能适合本项

35、目的冷热源方案主要有： (1) 地源热泵 (2) 冷水机组与锅炉配套 (3) 冷水机组与城市热网配套 设定采暖期均按 120 天计，根据统计资料，大致把整个采暖期划 分为 5 个负荷系数：0.3、0.5、0.8、0.5 和 1，对应的运行时间分别为 10 天、30 天、40 天、30 天和 10 天，夏季制冷期均按 90 天计算。 表 3.1 冷热源系统运行费用比较 方案一方案二方案三冷热源方式 及序号 项目 地源热泵 冷水机组与 燃气锅炉配套 冷水机组与 城市热网配套 季节夏季冬季夏季冬季夏季冬季 能源形式电电天然气电供热网 单 位hkwhkwm3hkw/m2季 价格（元）0550.553.

36、40.5524.5 负荷累计 kw.h 266396630612102663966306121026639663061210 效 率 5.5450.951 燃料费用266396.6420916.4304036.31275504.2304036.3 单位燃料费用 （元/m2.） 6.429.787.0629.627.0624.5 机房运行费用 （元/m2.季） 4.5 元/m2.两季 冷却塔运行费 用（元/m2.季） 无2 元/m2.季 全年运行费合 计（元/m2） 20.743.1838.06 费用比例12.08184 3.3.2 与常用空调系统的初投资比较与常用空调系统的初投资比较 3.2

37、冷热源系统初投资比较 方案一方案二方案三冷热源方式 及序号 项目 地源热泵 冷水机组与 燃气锅炉配套 冷水机组与 城市热网配套 冷热水机组 （元/kw 冷量）800500500 燃气锅炉（元 /kw 热量） 300 城市热网（元 /m2采暖面积）100 冷却塔（元 /kw 冷量） 无60 地下钻孔及埋 管（元/kw） 1500无 机房水泵、管 道、控制 基本相同(按 40 元/m2) 建筑物空调末 端 基本相同（按 110 元/m2） 初 投 资 概 算 比 较 (冷指标 72.6w/m2) 初投资（元 /m2） 330267254 比例10.80.77 3.3.3 与常规空调全寿命周期的回收

38、期分析与常规空调全寿命周期的回收期分析 下表对本项目的地源热泵系统与传统的空调系统进行了经济性 对比。 3.3 与常规空调全寿命周期的回收期分析 方案地源热泵系统 热网+水冷机 组 初投资概算330 元/m2254 元/m2 初投资（万元）1420.811093.60 系统的增量成本（万元） 327.21 全年空调运行费用合计 （万元） 89.12163.86 寿命周期总费用（以 系统设计运行 20 年计算） ， 万元 1782.43277.2 系统运行 20 年地源热 泵可节省运行费用，万元 1167.59 投资回收期4.4 年 说明：表中的数据来自于系统运行模拟的结果与工程经验，与实 际运

39、行状况会有一定的差别，在此仅作为定性的分析。 计算结果表明，地源热泵系统增加的初投资大约为327.21万元； 但系统可在5年内回收，系统运行20年计，则地源热泵系统可比分体 空调加集中供热系统节省运行费用1167.59万元。 3.3.4 与常规空调全寿命周期的技术分析与常规空调全寿命周期的技术分析 传统的空调系统主要包括风冷的空气源热泵和水冷的冷水机组。 传统空调系统的一个主要的弊端是机组的效率随着夏季室外气温的升 高或冬季室外气温降低而显著降低。这与建筑冷热负荷需求趋势正好 相反。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低， 同样可能导致系统不能正常工作。 地源热泵系统是通过浅层地

40、热能与建筑实现热量交换的，地下 10m 以下的温度基本上长年恒定，不受室外气温的影响，具有冬暖夏 凉的特性。同时地源热泵技术在夏季是将热量储存在地下，以备冬季 取热用，减少了城市的热污染。 综上所述: 方案1：用地源热泵有较好的节能效果，初投资较高但运行费用低； 方案2：用锅炉房污染严重，运行简单技术成熟，初投资费用不高 但运行费用很高； 方案3：用冷却塔和市政热力管网，初投资费用较低，运行费用也 不高，但节能效果不明显。 第四章第四章 地源热泵系统埋管工程技术方案地源热泵系统埋管工程技术方案 4.1 土壤热工实验土壤热工实验 4.1.1 概述概述 (1) 工程概况工程概况 该项目为济南中国铁

41、建国际城地源热泵工程。本工程拟采用节能 环保的土壤源热泵系统，提供本工程的冷、热源。我所对本工程地埋 管场地进行了深层岩土层热物性测试。本次试验进行了 1 个孔的测试。 测试时间：2011 年 7 月 20 日7 月 22 日，资料分析：7 月 24 日7 月 26 日。 (2) 测试目的测试目的 地埋管换热系统设计是地埋管地源热泵空调系统设计的重点，设 计出现偏差可能导致系统运行效率降低甚至无法正常运行。拟通过地 下岩土热物性测试并利用专业软件分析，获得地埋管区域基本的地质 资料、岩土的热物性参数及测算的每延米地埋管换热孔的换热量，为 地热换热器设计、换热孔钻凿施工工艺等提供必要的基本依据。

42、 (3) 测试孔基本参数测试孔基本参数 表 4.1 测试孔基本参数 项目测试孔项目测试孔 钻孔深度（m）100钻孔直径（mm）160 埋管形式单 u 型埋管材质pe 管 埋管内径 （mm） 26埋管外径（mm）32 钻孔回填材料原浆主要地质结构基岩 (4) 测试设备测试设备 本工程采用山东建筑大学地源热泵研究所自主研制开发的型号 为 fzl-c（）型岩土热物性测试仪。该仪器已获得国家发明专利。 并已广泛应用于北京奥林匹克公园、网球场馆、济南奥体中心等一 大批地源热泵工程的岩土层热物性测试。 (5) 测试结果测试结果 钻孔测试结果见表 4.2；循环水平均温度测试结果与计算结果见图 4.2。 图

43、4.1 地下热物性参数计算模型 表 4.2 钻孔测试结果 内容1 号测试孔 岩土体温度(初始温度)16.5 岩土体导热系数 w/m1.334 岩土体容积比热容 106j/m31.373 01020304050 0 5 10 15 20 25 30 temperature (c) time (hr) 测量温度 计算温度 图 4.2 循环水平均温度测试结果与计算结果对比图 (6) 结果分析结果分析 钻孔结果表明：该地埋管区域地质构造以基岩为主。具体构造为 0-20 米，黄土层夹含大量小碎石；21-30 米，较完整黄土层；31-32 米， 完整基岩；33-35 米，黄土层夹含碎石；36-45 米，完

44、整基岩；46-54 米，粘性黄土夹含碎石；55-90 米，完整基岩；91-92 米，黄泥层； 93-100 米，完整基岩。测试结果表明：埋管区域的平均综合导热系数 为 1.344w/m，数值较低，平均容积比热为 1.373106j/m3，数值 较小。岩土体初始温度 16.5，数值较高。 (7) 土壤地层导热系数综合评述土壤地层导热系数综合评述 1) 测试结果表明：该区域土壤地层平均导热系数较大。测试 的钻孔（100m 深）导热系数：1.344 w/m该地域地下传热条件适 合使用地埋管地源热泵空调系统。 2) 初始温度较低。在约 100 深的岩土层内平均地温为 16.5。 测试结果表明：该埋管区

45、域岩土层的综合换热能力强，能够符合常 规设计要求。 3) 主要地质构成：据钻孔结果测试区域地质自地平面下到 30m 内为粘土层为主，其下为岩石层。 4.1.2 单位孔深地埋管的换热量与建议单位孔深地埋管的换热量与建议 (1) 影响每米孔深地埋管换热量的因素影响每米孔深地埋管换热量的因素 地埋管单位孔深的热交换量与多种因素有关。简述如下： 1) 地埋管传热的可利用温差，即 u 型埋管中的水（循环液）热 交换后允许达到的最低或最高温度与岩土换热前未受热干扰时温差。 可利用温差与地热换热器的设计参数有关。本报告地埋管循环液冬季 最低温度采用 4，夏季最高温度采用 32。 2) 每年从地下取热量与向地

46、下释放热量是否平衡。二者相差越大， 对地热换热器换热效率的影响越大。考虑到测试区域冬季采暖期较长， 宜考虑冬季从地下提取热量与夏季向地下放入热量的平衡问题。 3) 地埋管单位孔深的热交换量还与地埋管间距、地下水位的高低 和岩土层含水量多少等因素有关。 (2) 地热换热器埋设建议地热换热器埋设建议 单位孔深换热量是地热换热器设计中重要的数据，它是确定地热 换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数 量与埋管结构等的重要依据。单位孔深换热量取值偏大，将导致埋管 量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际 的制热、制冷量低于其额定值，使系统达不到设计要求。反之，单

47、位 孔深换热量取值偏小，埋管量将增加，工程的初投资增高。但热泵机 组的运行费用将会降低。 在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热 物性的测试情况、考虑到当地地温初始温度（16.5） 、冬季地埋管循 环液温度设定（48）等因素，提出地埋管方案设计时的参考建议 如下： 1) 对于 de32 双 u 型地埋管，冬季每米孔深从地下提取的热量按 3438w/m 计，夏季每米孔深向地下释放的热量按 4852w/m 计；对 于 de32 单 u 型地埋管，冬季每米孔深从地下提取的热量按 2832w/m 计，夏季每米孔深向地下释放的热量按 4246w/m 计. 2) 竖直埋管材料宜采用 pe

48、100；钻孔难度较大，宜采用双 u 型 竖直地埋管； 3) 在地埋管空间充足条件下，为增大蓄热体、减弱地下冷热负荷 不平衡的影响，应适当加大地埋管间距。建议地埋管间距 5m7m。 4.2方案设计方案设计 4.2.1 土壤换热系统换热量计算土壤换热系统换热量计算 地源热泵系统实际最大释热量发生在与建筑最大冷负荷相对应的 时刻。包括：各空调分区内水源热泵机组释放到循环水中的热量（包 括空调负荷和机组压缩机耗功） 、循环水在输送过程中得到的热量、 水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况 下释放到循环水的总热量。即： 最大释热量空调分区冷负荷（11/eer）+输送过程得 热量+水

49、泵释放热量。 由于循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热 量无法精确计算。本设计仅考虑空调负荷和机组压缩机耗功两项，并 进行修正。 4.2.2 土壤换热系统的设计土壤换热系统的设计 1） 土壤换热器的布置 由于该项目为高档办公楼，建筑主体周围有大量空地。所以拟 划分两个埋管区。一区：在主楼前的形象广场下布置一定的地埋管， 埋管间距 5m，二区：在裙楼周围的绿化带进行埋管，埋管间距 5m。 2） 土壤换热器的设计 土地埋管采用竖直单u型地埋管。竖直埋管管材采用高密度聚乙 烯（pe100）de32。孔间距和行间距均按 5 m 计算，钻孔深度按 120m 计，钻孔径 160 mm，埋深

50、按 2.0 m 考虑。水平埋管总长度可 根据地埋管区域、机房位置、分集水器设置位置和水平管连接方式确 定。 根据地质情况，地下 120 m 范围内的综合导热系数为 1.344 w/(mk)， 比热容为 1373 kj/(m3k)。经计算，钻孔数量为 760 个。 当地源热泵系统按以上地埋管方案设置时，计算结果曲线如图 4.3 所示。可以看出，地埋管换热器的出水最低温度为 2.9，出水 最高温度为35.9。系统运行一年后，地下平均温度由 16.5下降 至16.4。地埋管进、出水温度的变化不大，其对地源热泵机组的效 率影响很小可以忽略。 图4.3 地源侧温度变化图 3） u 型管支管间距半宽及回填

51、材料确定 在竖直 u 型埋管地热换热器中，在这样一个狭小的空间内，支管 间必然发生热回流现象，对实际的换热效果将产生一定影响。如果处 理不当，将产生较大的影响。影响 u 型埋管支管间热量回流的因素主 要有两个，一是两支管间的间距，二是回填材料的导热率。 下图 4.4 为钻孔敷设 u 型管后的最大余隙，它等于钻孔直径减去 二倍支管直径。两支管中心距等于支管直径与两支管间距之和。显然， 支管间距及回填材料导热率对热量回流的影响都是单一的。即支管间 距越小或回填材料导热率越大，热量回流越大。但两者对地热换热器 设计容量的影响并不一致，相同负荷下，支管间距小，所需的地热换 热器容量大。回填材料导热率大

52、，一方面增加了两支管间的热量回流， 另一方面，也强化了 u 型管与土壤间的传热。而后者是影响地热换热 器设计容量的主要因素。该系统采用支管间距为 0.5s 的 u 型管埋管 方式。 图 4.4 u 型支管间距 回填材料的导热系数对地下换热器设计尺寸的影响没有土壤的导 热系数影响大，这是因为回填材料的导热系数要小于土壤的导热系数， 而且回填材料的厚度要远小于土壤层的厚度。之所以加回填材料的原 因主要是为了防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地 表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。当然能够增强 换热能力更好，所以国外现在的回填材料都改进成高导热系数的材料， 以加强传热能力。该

53、土壤源地源热泵系统采用导热率为 2.18w/(mk) 的水泥砂浆作为回填材料。 第五章第五章 室内空调末端系统室内空调末端系统 5.1 中央空调末端形式及原理中央空调末端形式及原理 作为中央空调末端有以下几种形式：一是全空气系统；二是风机 盘管加新风空调系统；三是地板辐射采暖方式。当空调房间内对温湿 度有较高要求时，可采用第一种方式，该方式具有室内温度、湿度均 匀，在空调启动的短时间内即可实现室内温湿度的均匀，对于某些会 议室、餐厅等场合可采用该方式。风机盘管加新风空调系统是目前舒 适性空调系统广泛采用的系统形式，它可以根据人员使用情况随时启 停房间内末端装置，达到节能的目的。但末端设备的维护

54、工作量稍大。 地板辐射采暖方式是目前较为舒适的供暖方式，由于室内温度梯度为 自下而上逐渐降低，正好与其他供暖方式相反，室内人员处于高温区， 舒适感较好，同时在舒适感相同的情况下，可以有效减少输送热量， 达到节能的效果，目前在北方地区集中供暖中得到广泛应用。但地板 采暖用于夏季供冷时，由于考虑到结露的影响，输送到地板内水温不 得高于室内空气露点温度，同时由于室内的湿负荷需要去除，还需要 考虑除湿方法或设备来保证房间湿度恒定。 5.2 地源热泵系统室内末端设备的选择及比较地源热泵系统室内末端设备的选择及比较 对于采用普通地源热泵作为冷热源的中央空调系统，由于机组夏 季能够提供给空调末端设备的冷冻水

55、温度在 7-12以上，冬季提供 的热水温度在 45-50之间。因此末端设备的选取可采用如下方式： 方案一，冬夏季室内末端设备均采用风机盘管。该方式控制灵活， 室内升温或降温迅速，可有效提高舒适度，比较适合应用于间歇运行 的办公建筑、住宅建筑等对湿度没有严格要求的空调场合。 方案二，采用集中的空调机组，夏季通过送风管道向空调房间输 送冷风，达到降温的目的，冬季通过向室内送热风（或冷风）的方式， 达到维持室内温度的目的。该方式人员舒适度最好，但控制不够灵活， 当该系统内的部分房间不用时，系统能耗并未降低多少。但室内升温 或降温迅速，可有效提高舒适度，比较适合应用于间歇运行的办公建 筑等空间较大的空

56、调场合。 方案三，夏季室内末端设备均采用风机盘管，冬季室内末端设备 采用地板辐射采暖方式。该方式控制灵活，室内舒适度高。对于间歇 运行的办公建筑、住宅建筑在非使用阶段内可只维持值班采暖温度， 大大减少流量，达到运行节能的目的。 方案四，冬夏季室内末端设备均采用毛细管辐射供冷供热，外加 新风系统控制室内湿度。该方式适用于 24 小时连续运行的空调系统， 室内舒适度高，系统初投资低，维护管理方便，但室内湿度控制相对 复杂。以上四种方式均为集中中央空调系统形式。 方案五，分散式空调方式，即冬夏季室内末端设备均采用分散的 空调机组，共用一套室外地下环路泵。该方式无需专用的制冷机房， 每个空调房间均设置

57、水-空气热泵机组，当用户不用时，即可灵活开启 或关闭热泵机组，但室外环路泵一直运行，该系统 运行费用较低， 但初投资较高。 以上五种方案的经济性比较见表 5.1。 以上分析可看出，当对舒适性要求较高时，可采用方案三，从经 济性角度可选择方案五。实际工程应进行方案比较，综合分析来确定 采用何种方案。 对于本项目，由于建筑物的功用为办公楼切对室内空调舒适性要 求较高，因此冬夏采用均风机盘管加新风系统比较有利，一是舒适性 好，二是可以根据人员使用情况随时启停房间内末端装置，达到节能 的目的。 表 5.1 地源热泵系统不同空调末端装置经济性比较 名称方案一方案二方案三方案四方案五 末端设备 名称 风机

58、盘管 加新风系 统 空调机组加 送回风管道、 风口 夏季风机盘管、 冬季地板辐射采 暖 毛细管辐射 表面加新风 系统 分散式 热泵机 组 末端设备 初投资估 算 元/m2 80-100100-120120-140150-170300 末端系统 运行费用 元/m2 3-54-63-53-510-12 机房设备 运行费用 元/m2 12-1512-1512-1512-152-3 占空间 面积 一般较大一般一般较小 控制性能较好一般较好一般一般 空调 舒适性 较好较好比较舒适一般一般 第六章第六章 地源热泵监测与控制系统地源热泵监测与控制系统 6.1 地源热泵监控系统的主要功能地源热泵监控系统的主要

59、功能 地源热泵技术是一种节能环保的空调系统形式，要想达到地源热 泵在各种地域内平稳、节能运行，自动检测与控制技术是必不可少的。 同时自动控制技术、数据库技术、通信技术与人工智能技术的结合为 系统的优化调节与远程控制提供重要帮助。地源热泵监控系统应具备 的主要功能有： （1）检测功能检测功能 监控系统可以通过安装在地源热泵系统现场的各类传感器，对 地源热泵系统的各种参数（例如，温度、压力、流量等） 、系统设备 的运行状态（包括热泵的运行状态、水泵的运行状态等）进行检测。 并将这些测量数据通过模拟量输入通道和数字量输入通道输入到计算 机进行数据处理分析，并且所有参数均可在显示器上显示。 实时监测地

60、源热泵系统的运行状况是确保系统运行的高效性与 可靠性的主要手段。在本项目的地源热泵系统中，将引入一套智能检 测，见下图 6.1。该测试系统可以自动测试系统的循环液温度，压力 与流量，系统的制热量、制冷量以及系统的功耗。该自动控制系统， 可实现系统的自动调控，用户可根据检测结果，查明故障或调节地下 换热平衡。 集集控控室室内内的的 监监控控计计算算机机 地地源源热热泵泵空空调调 机机房房控控制制室室内内 的的监监控控计计算算机机 打打印印机机 打打印印机机 地地源源侧侧水水泵泵空空调调侧侧水水泵泵 热热泵泵 机机组组 现现场场传传 感感器器 其其他他现现场场 设设备备 其其他他现现场场 设设备备