空调方案分析案例

1、亿鑫源地源热泵中央空调系统方案分析编制单位：连云港市巨生实业有限公司 编制时间：2011年12月28日编 制 人：赵海瑾联系电话第一章 项目概况1.1 项目概述1.1.1 项目概况及负荷本项目位于连云港市板桥工业园，为连云港亿鑫源办公楼项目，该办公楼项目地上五层，地下一层，总建筑面积约10000平米，为多层建筑，总空调面积暂定为7000，空调指标如下：名称名称建筑面积（m2）冷指标（w/m2）热指标（w/m2）冷负荷（KW）热负荷（KW）主楼办公室700013080910560备注考虑建筑物内个房间同时使用率，冷热负荷取实际计算值0.8系数。1.1.2 项目规划依据1

2、）采暖通风与空气调节设计规范(GB 50019-2003)2）全国民用建筑设计技术措施暖通空调·动力（2009）3）实用供热空调设计手册4）地源热泵系统工程技术规范(GB 50366-2005)5）住宅建筑规范（GB50368-2005）6）自动控制设计规范（采暖、通风和空气调节系统）7）其他有关国家和地方的现行规程、规范和标准。1.2 规划内容 1.2.1 规划技术内容将本项目主体作为规划对象，拟全部采用地源热泵，研究其空调采暖规划方案。1.2.2 规划功能内容1）供冷工况：办公楼暂定使用空调的净面积为7000平米，供冷负荷约910kw，夏季利用地源热泵将室内热量通过地埋管系统送至

3、地下，达到制冷目的。2）采暖工况：冬季供热负荷约560 kw，利用地埋管将地下土壤、岩石层的热量取出，送至空调房间，达到采暖目的。1.3 设计参数 1.3.1 室外设计参数：夏季室外空调计算干球温度 33.5夏季室外空调计算相对湿度 81%夏季室外平均风速 2.4m/s冬季室外空调计算干球温度 -8.0冬季空调相对湿度 66%冬季室外平均风速 2.7m/s1.3.2 室内设计参数：建筑类型夏季冬季温度（）相对湿度（%）温度（）相对湿度（%）办公楼252765162030第二章 地源热泵系统简介2.1 热泵的基本概念“热泵”是借鉴水泵而来。水泵是消耗一定的机械能，将水从低水位“泵送”到高水位的设

4、备；与之相对应的说法，热泵是消耗一定的机械能，将低温位热能“泵送”到高温位热能并加以应用的设备。2.2 热泵的优点在自然界和工业生产中，存在大量的低温位热源，储藏于空气、土壤、水等自然介质，以及废气、废水等工业介质中，利用热泵可以回收这些低温位热量，产生的高温位的热量来供应生产和生活的应用。热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源，而且拥有较高的能量利用率。表2-1 不同热量提供方式的能量利用率能量提供方式燃油锅炉燃气锅炉电锅炉热泵性能系数0.700.900.800.95<1.0>2.8另外，热泵的应用可以带来良好的环境效益，在提高能源利用率的同时，减少对电能的需求，进而为减少温室

5、气体CO2的排放发挥作用。2.3 热泵基本分类在实际应用中，根据热泵系统换热设备中进行热量传递的载能介质，可以将热泵设备归纳为四种类型：空气-空气热泵：在这类热泵中，冷热源是室外空气，室内供冷、供热的介质亦是空气循环，这是最简单和普通的热泵形式，普遍使用在家用挂机、柜机、空气源多联机等空调系统。由于这种形式的热泵工作效率与环境气温紧密相关，故而环境温度过高或过低，都将影响热泵的工作效率。另外，这种形式的空调由于是低温制冷剂（0左右）经过室内机直接与室内的空气进行循环换热，造成吹出口空气温度过低、空气中含湿量过低，空调的舒适性不是很理想。空气-水热泵：在这类热泵中，冷热源也为空气，但供冷供热介质

6、为水。冬季以制热模式工作，先将室外空气的热量转换到循环水中，然后将被加热的循环水送入室内机，加热室内空气进行采暖；夏季以制冷模式运行，降低循环水的温度（812），然后将冷冻水送入室内机，循环冷却室内空气，达到室内降温的目的。这种形式的空调夏季由于循环水的温度与空调设定温度之间温差较小，故而吹出口的空气温度比较柔和，室内空气相比空气-空气热泵要湿润一些，舒适性更好。水-水热泵：在这类热泵中均以水作为介质，冷热源为地下水或地表水，供冷供热介质为循环水。冬季以制热模式工作，先将地下水或地表水的热量转换到循环水中，然后将被加热的循环水送入室内机，加热室内空气进行采暖；夏季将循环水中的热量转换到地下水或

7、地表水中，达到降低循环水温度的目的，然后将被降温的循环水送入室内机，冷却室内空气，调节室内温湿度；制热和制冷运行时，一般可用切换热泵工质回路来实现制冷或制热，更方便的是用水回路中的多向阀来完成切换。如果水质较好，可允许冷热源水直接进入蒸发器，在某些特殊场合，为了避免污染，常采用中间换热器来实现冷热源水与进行过水处理的封闭循环水系统间的热交换。2.4 地源热泵系统2.4.1 地源热泵基本原理地源热泵空调系统是把土壤作为冷热源，把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，从而实现与土壤进行冷热交换。夏季通过热泵机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温，同时在土壤中储存热

8、量，以备冬用。冬季通过热泵机组将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用。土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。图21 垂直埋管地源热泵系统图22 水平埋管地源热泵系统2.4.2地源热泵系统的特点由于地源热泵技术是利用一定深度土壤具有相对恒温的特性，作为热泵空调机组的制冷制热的冷热源，所以具有以下优点： 、属可再生能源利用技术 地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和

9、发散的相对的均衡，这使得地源热泵利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地热能成为可能。所以说，地源热泵利用的是清洁可再生能源的一种技术。 、高效节能 地源热泵机组可利用的土壤温度冬季为15-18，土壤温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，获取热量相对于0甚至0以下的空气则容易许多，因而能效比也提高很多。夏季土壤为17-20，土壤温度比环境空气温度低，所以设备排出的热量更容易被其吸收，冷却效果好于空气冷却式和冷却塔式，机组效率提高。据我们所实施的工程经验估计，设计安装良好的地源热泵，每年平均大约可以节约用户30-40%的空调运行费用。 、运行稳定可靠 土壤的温度一年四季相对稳定，其波动的

10、范围远远小于空气的变动，是热泵机组很好的冷热源，土壤温度相对恒定的特性，使得热机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性，不存在空气源热泵冬季效率衰减、除霜困难等问题，克服了常规空调因外界气温的变化引起的多耗电、效果差等弊端。 、环境效益显著 地源热泵使用的电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，要消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放，所以节能的设备本身的污染就小，设计良好的地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比相等于减少30%以上电耗，与电供暖相比等于减少70%以上电耗。 、一机多用，应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅

11、炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。 、使用方便 可根据各区域的实际需要开启关闭空调，各区域的空调使用独立方便，满足大范围负荷的不同需求，轻松配合二次装修与区域分隔，并可根据需要独立计费。 、自动运行 地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，易损部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命可长达25年以上。第3章 地源热泵技术方案3.1 地下土壤冷热平衡分析地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。根据本地区的土壤特性、气候、地质分

12、布等特点，结合该项目的具体情况和我们以往的实际工程经验，本工程垂直埋管具体设计步骤如下。3.1.1 地埋管换热器的换热量计算土壤换热器设计必须保证运行期内，地源水温应在设计温度上下限内，同时确保地源热泵机组运行效果不下降，因此需通过能耗分析计算全年逐时负荷，因缺少详细的建筑墙体材料等数据，现只能估算全年总的年散热量和总的年吸热量（夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量）。1 、根据如下公式计算土壤性换热器（地源）的换热量QL= Q×（1+）=910×（1+）= 1062KWQR= Q×（1+）=560×（1+）= 662KW其中：QL夏季空调制冷地源

13、热泵机组向土壤排放的热量（KW）；QR冬季空调制热地源热泵机组从土壤吸收的热量（KW）；Q本项目夏季总冷负荷910KW；Q本项目冬季总热负荷560KW；COP夏季工况地源热泵机组的制冷效率，取6.0；COP冬季工况地源热泵机组的制热效率，取5.5。全年吸热量、散热量的计算夏季制冷按100天计算，冬季采暖按90天；平均每天供冷（暖）8小时。W = QL×T = 1062×100×8= 849600KWW = QR×T = 662×90×8 = 476640KW其中：W夏季空调制冷向土壤排放的总热量，KW；W冬季空调制热从土壤吸收的总热量

14、，KW；QL夏季空调制冷向土壤排放热量，KW；QR冬季空调制热从土壤吸收热量，KW；T夏季空调制冷的时间，100×8=800小时；T冬季空调制热的时间，90×8=720小时。2 、综合分析通过上面的计算可知，全年向土壤排放的热量为849600KW，全年从土壤吸收的热量为476640KW，年总散热量大于年吸热量，土壤中富裕热量为372960KW。3.1.2 地埋管换热器的设计计算根据实际情况，本建筑采用建筑周边红线内地下埋管方式。1、地下土壤负荷的确定由上面计算可知，全年向土壤排放的热量大于从土壤吸收的热量，排放热量与吸收热量差值在控制范围内，因此按夏季设计总制冷量计算地埋管

15、换热器。2、确定竖井埋管管长及打井数目本项目所在地的地下土壤平均在16.6，土壤导热系数=2.0471W/(m·K)。冬季运行工况，进水温度8.18.4，管内循环水流速在0.550.66m/s范围内，单位孔深吸热能力平均为65w/m，竖井中的埋管采用双U型管，管径为25。竖井深100米，数量140口，可吸热为910kw，满足规划预定的7000平米空调面积的冬夏两季吸热、散热需求。3.2 冷热源土壤能量提取利用技术地源热泵系统是一种利用地下岩土中热量的闭路循环系统，它通过循环液体在地下埋管封闭系统中的流动，实现系统与大地之间的换热。在冬季制热过程中，流体从地下吸取热量，再通过热泵系统把

16、热量提升并带到室内；夏季制冷时系统逆向运行，即把室内热量带到地下岩土中。因此，地埋管地源热泵系统保持了利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质，是一种真正可持续发展的建筑节能的新技术。具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点。地埋管土壤换热器地源热泵运行原理图如下：3.3 地源热泵运行工况3.3.1 夏季工况地源热泵以土壤源作为冷热源，可有效降低系统投资，提高系统运行的节能效果。选用地源热泵机组为基础负荷热能转换设备，充分利用地源热泵机组高效节能、运行经济的特点，采用热回收机组供冷同时提供夏季生活热水。（1）地源热泵的能效系数制冷时不小于6.0。（2）空调地源

17、热泵机组，夏季供冷的温度参数初步设定为6/12，进入热泵系统媒介水温度设定为20/14。具体如下图所示：3.3.2 冬季工况冬季土壤源温度稳定且不低于15，因此冬季工况采用土壤源作为主热源，有利于提高系统能效。选用地源热泵机组为基础负荷热能转换设备，充分利用机组高效节能、经济的特点，提供空调系统的热源。（1）地源热泵的能效系数按照制热时4.5。（2）空调地源热泵，冬季供热的温度参数设定为45/39，进入热泵系统媒介水温度设定为18/12。如下图所示，土壤源采用土壤埋管方式，既起到供热效果，又不破坏地下水资源。3.3.3 制热水工况在制冷季节利用带热回收地源热泵机组的热回收功能制取生活热水，能源

18、成本与自来水成本相同，等于免费使用热水，最大限度节约费用。（1）热回收原理：热回收机组通过回收冷却水系统中的散热量，用于加热生活热水或生产工艺热水，不但可以实现废热利用，减少冷凝热对环境产生的热污染，又可减少能源的损耗。热回收技术应用于低温热水的预热，使其热交换效率更高；应用于高温热水的加热，会增加热泵机组的功耗，但总功耗相对于用锅炉加热来讲还是节约很多的，所以无论是利用热回收进行预热还是加热热水，都可以节省大量的系统运行费用。（2）热回收特点：热回收机组的制热效率远远超过各种锅炉，同时又为空调系统提供冷量，是优秀的锅炉替代品.适用于同时需要冷量和热量的项目。热回收机组运行必须有足够的基本冷负

19、荷，通常将热回收机组与其他单冷机组组合在一个系统中。热回收机组可分为部分热回收和全热回收两种：部分热回收出水温度一般在45左右，全热回收出水温度可达60。本项目中若需要满足职工洗浴，所需生活热水为55，采用全热回收方式，可以满足夏季热水供应要求。第4章 地源热泵系统经济分析4.1 地源热泵系统投资范围及内容4.1.1 投资范围及内容（1）中心机房部分投资主要为地源热泵主机、水泵、管网、阀门及配套系统设备及安装。（2）地埋管系统主要为井埋管、水平管、阀门等设备费用（不含打井）。（3）末端系统费用主要为空调末端风机盘管、室内管网系统等费用。4.1.2 初投资概算分析采用垂直地埋管式地源热泵，全套系

20、统根据经验估算，平均每平米空调面积需投资约260元/m²,本项目空调面积为7000m2，估算包括空调系统所有材料设备、安装等（交钥匙模式），总投资估算约为182万元（不含打井、井埋管）。本项目需要打井120口（160），初步估算每口井（含垂直地埋管、水平连接管材料、安装）约9000元，合计约108万元。总投资约为290万元。国家节能补贴每平米约70元左右，总补贴约49万元，空调系统实际投资约241万元。4.2 系统运行费用分析本项目总冷负荷910KW，热负荷560KW；空调系统夏季供冷100天，冬季供热90天，主机每天运行8小时，夏季每天平均开机率0.8，冬季每天平均开机率0.9，主

21、机能效比夏季为6，冬季为4.5。序号收费项目收费标准（元/KWh）收费依据备注1电费0.9暂定4.2.1 夏季运行成本分析年夏季运行成本=总冷负荷×供冷天数×每天运行时间×开机率×电费/能效比=910×100×8×0.8×0.9/6=万元/年4.2.2 冬季运行成本分析年冬季运行成本=总热负荷×供热天数×每天运行时间×开机率×电费/能效比=560×90×8×0.8×0.9/4.5=万元/年第5章 水源热泵系统水源热泵系统简介水源热泵各种

22、技术参数、设计原理、运行状况等基本与地源热泵相似，系统流程与地源热泵的系统流程无大差别；经济参数与地源相比，造价略低，大约比地源热泵空调系统减少15%左右。水源热泵与地源热泵的主要区别在于获取冷热源的方式。1、 项目概况连云港亿鑫源办公楼项目，该办公楼项目，地上五层，地下一层，总建筑面积约10000平米，总空调面积约7000平米。需解决夏季空调制冷，冬季供暖问题，全年保持室温在18-25。 二、 冷热源解决方案该方案要求在建筑物附近打十口井，两口井抽水，出水总量为70M3/h，六口井回灌，保持地下水资源稳定，两口井备用。利用井水作为冷热源，水源热泵机组夏季制冷，冬季供暖，满足办公楼要

23、求。三、 负荷计算及机组 1. 空调冷热负荷计算考虑到该建筑主要为办公室，根据国家标准单位建筑面积制冷负荷，兼顾项目所处的地理位置，单位空调面积制冷负荷选取130W/M2, 建筑总冷负荷约为910KW；单位空调面积供暖热负荷选取80W/M2, 建筑总热负荷约为560KW。 2. 机组设备选型及技术参数水源热泵机组设计装机容量为900KW，配置水源热泵机组壹台，空调制冷量900kw，空调制热量1000kw；3水源热泵机组对水资源要求比较严格，需要井水温度、流量稳定，必要时，应设置换热器，把井水与机组隔离。 4、 水源热泵的特点水源热泵机

24、组以水为冷热源，冬季采集来自海水、湖水、河水、地下水甚至工业废水、生活污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖；夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。该机组具有设计标准、选择优良、操作简便、安全可靠等优点。由于水源热泵技术是利用地表水作为空调机组冷热源，所以具有以下优点： 环保效益显著水源热泵是利用地表水（含井水）作为冷热源进行能量转换的制冷、供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染；不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使环境更优美。 高效节能水源

25、热泵机组可利用的水体温度，井水冬季为12-22，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为14-25，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组运行效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户2535的传统供热、制冷空调的运行费用。 运行稳定可靠井水水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气温度的波动，是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳定，也保证了系统的高效性和经济性，避免了空气源热泵在冬季除霜等问题。 一机多用，应用范围广

26、水源热泵系统可提供采暖、空调及生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 自动运行水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，易损部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。 同时，水源热泵的应用也有其缺陷：  可利用的水源条件限制水源热泵理论上可以利用一切的水资源，在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的，所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统（江、河、湖泊等），水源要求必须满足一定的温度、水

27、量和清洁度。   水层的地理结构的限制对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质结构，确保可以在相对经济的条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。 水源热泵投资的经济分析水源热泵的一次性投资及运行费用会随着用户所处的地域不同而有所不同。总体来说，水源热泵的运行效率较高、运行费用较低，但在不同地区、不同需求的条件下，水源热泵主机的一次性投资的经济性比地源热泵略好。 一、制冷供暖设备工程初投资全套系统根据经验估算，平均每平米空调面积需投资260元/m²,本项目空调面积为7000m2，估算包括空调系统所有材料设备

28、、安装等（交钥匙模式），总投资估算约为182万元（不含打井、抽水设备）。二、抽水井与回灌井本项目需要打井10口（400），出水井2口、每口（含潜水泵、立管、水平连接管材料、安装）约10万元，合计约20万元；回灌井6口，每口（含立管材料安装）约8万，合计约48万元；备用井2口，每口井6万元，合计12万元；板式换热器两台（如果需要），每台约4万，合计约8万；总投资约为270万元。国家节能补贴每平米约70元，7000平米补贴49万元，实际总投资约221万元。运行费用分析本项目总冷负荷910KW，热负荷560KW；空调系统夏季供冷100天，冬季供热90天，主机每天运行8小时，夏季每天平均开机率0.8，

29、冬季每天平均开机率0.9，主机能效比夏季为5.5，冬季为5。序号收费项目收费标准（元/KWh）收费依据备注1电费0.9暂定夏季运行成本分析年夏季运行成本=总冷负荷×供冷天数×每天运行时间×开机率×电费/能效比 =910×100×8×0.8×0.9/5.5=9.53万元/年冬季运行成本分析年冬季运行成本=总热负荷×供热天数×每天运行时间×开机率×电费/能效比 =560×90×8×0.8×0.9/5=5.8万元/年 第6章 锅炉+水冷螺杆机

30、组费用分析 一、制冷供暖设备工程初投资实际空调面积为7000m2，需配置制冷量为910kw左右的双机头螺杆冷水机组一台，输入功率约170kw；一吨燃气热水锅炉一台；包括空调系统所有主辅材料、设备、安装等（交钥匙模式），工程总投资估算约为182万元。运行费用分析本项目总冷负荷910KW，热负荷560KW；空调系统夏季供冷100天，冬季供热90天，主机每天运行8小时，夏季每天平均开机率0.8，冬季每天平均开机率0.9。序号收费项目收费标准（）收费依据备注1电费0.9元/KWh暂定2燃气费2.8元/米³暂定4.2.1 夏季运行成本分析年夏季运行成本=总输入功率×供冷天数×每天运行时间