北京市某服务区中央空调系统设计措施secret.docx
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北京市某服务区中央空调系统设计措施secret
XX服务区地源热泵中央空调系统可行性报告
一、工程简况
该工程位于北京市密云县XX服务区，总规划面积约40.35亩，新建建筑面积约：
4462.2㎡其中管理用房：
2089.47㎡、一号院：
194.21㎡,二号院：
212.7㎡、三号院：
185.44㎡、四号院：
237.32㎡、五号院：
104.73㎡、会所：
1438.33㎡.
二、地源热泵中央空调方案
由于本工程所处位置及地理条件的特殊型，不适合传统的中央空调系统，且普传统的中央空调有空气源热泵<风冷机组）+辅助电加热和水冷冷水机组+锅炉两种形式。
空气源热泵<风冷机组）和水冷冷水机组在制冷时都是把房间的热量向室外空气排放，受室外气温因素影响太大，其制冷量随室外空气温度升高而降低，尤其在高温高湿地区，机组制冷性能极不稳定，效率低下,有时甚至不能工作。
在制热时，空气源热泵当室外温度降到零度以下时需加辅助电加热装置，耗电量大，效率很低。
而水冷冷水机组+锅炉这种空调形式，在供热时需用电锅炉或燃煤、燃油锅炉，污染严重，运行费用昂贵。
为了设计的方案更贴近贵公司的原始创意和经营理念，我公司技术部针对该工程经过热烈讨论，现将设计思路汇报如下，恭请各位领导、专家提出宝贵的意见和建议：
、设计总体思路是；思考运行成本和初投资的关系，重视机房的设计---决定运行成本，重视外网土壤换热器系统---决定工程的成败<考虑本地区处于山区，岩石比较多）。
、在机房系统设计中重点考虑运行的节能性和降低运行成本，考虑本工程在未来经营中经济效益与机组运行成本有直接的关系。
结合建筑物不同功能分区的负荷情况，考虑全年的部分负荷运行情况；通过测量机房室内侧回水温度
来开启或停止水泵和水源热泵机组，对系统进行流量调节达到节能目的。
、采用地源热泵系统能不能节能或能不能低成本运行关键在有一个比较合理的机房设计和机房运行管理的方案。
2、热源机组的确定
以“环保节能，营造舒适环境”为主导设计思想，按照国家规范要求及本工程功能区域要求，我们考虑设计一个院设计一个地源热泵机房，各个分区面积负荷如下：
一号院建筑面积为：
194.2㎡计算冷负荷为：
94.2m2*200w/m2=38.84kw。
二号院建筑面积：
212.7㎡，计算冷负荷为：
212.7m2*202w/㎡=42.9kw.
三号院建筑面积：
185.44m2，经计算冷负荷为：
185.44m2*205w/㎡=38kw。
四号院建筑面积：
237.32m2，经计算冷负荷为：
237.32m2*200w/㎡=47.46kw。
五号院建筑面积：
104.73㎡，经计算冷负荷为：
104.73m2*200w/㎡=20.9kw。
会所建筑面积：
1438.33㎡，经计算冷负荷为：
1438.33m2*200w/=287.7kw。
管理用房建筑面积：
2089.47㎡,经计算冷负荷为：
2089.47m2*200w/㎡=417.89kw.
根据以上冷负荷选用地源热泵机组：
一号院选用一台机组,制冷量为：
38.2kw,制热量为：
39.5kw.机房所需面积为：
12㎡。
二号院选用一台机组,制冷量为：
43kw,制热量为：
45.6kw.,机房所需面积为：
18㎡。
三号院选用一台机组，制冷量为：
38.2kw,制热量为：
39.5kw.机房所需面积为：
12㎡。
四号院选用一台机组,制冷量为：
50.5kw,制热量为：
54.1kw.机房所需面积为：
23㎡。
五号院选用一台机组,制冷量为：
19.7kw,制热量为：
21.5kw。
机房所需面
积为：
7㎡。
会所选用一台机组,制冷量：
278kw,制热量：
311kw.机房所需面积为：
30m2。
管理用房选用一台机组，制冷量：
418kw,制热量：
468kw.机房所需面积为：
457m2。
三、地源热泵系统分析
地源热泵是在近年来广泛应用的节能环保空调技术，热泵效率高低取决于冷热源来源方式。
土壤是热泵良好的热源，并有一定程度的蓄能作用，夏储冬用达到能量平衡。
按照土壤多维不稳定传热特性，土壤的热参数随着地理位置、地质条件、季节而变化，因此计算和选择其冷（热>源来源方式应因地制宜。
密云县的负荷情况为夏季向土壤排放的热量与冬季从土壤吸收的热量基本平衡。
根据我国北方气候变化的差异，同时结合本地水文地质条件来选择空调系统的冷热源来源方式至关重要。
地源热泵空调系统的冷热源来源有如下四种方式：
①地下水源热泵——为深井抽、回灌式。
②地表水源热泵——为地表水开式/闭式。
③土壤源热泵——为水平/垂直埋管<北方地区）
④混合式土壤源热泵——为土壤源+辅助散热<江南地区）；
3.1.地下水式热泵系统
深井回灌式水源热泵系统。
通过建造抽水井群将地下水抽出，通过板式换热器或直接送至水源热泵机组，提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。
此方案初投资低、运行费用较低。
适应于地下水源充足，地质条件为砾砂、中、粗沙层<回灌效果好）地区。
由于水量水位受季节性影响，会造成波动，势必影响井的出水量，再考虑到回灌因素，很难保证空调
负荷运行要求。
3.2地表水热泵系统
通过直接或者间接抽取地表水换热的方式，利用江水、河水、湖水、水库水以及海水。
此方式系统造价最低，施工简单，但运行效率较低。
采用此方式要求地表水有较大的容量，水源要求常年稳定；
3.3.土壤源热泵系统
水平埋管地源热泵系统、垂直埋管地源热泵系统两种方式都归属于土壤源热泵系统。
这一闭式系统方式，通过中间介质（水或防冻液>作为冷热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与土壤进行热交换的目的。
系统适用于冷（热>负荷比例基本平衡的地区<长江以北地区），其节能、环保效果显著，系统寿命长。
3.4.混合式土壤源热泵系统<垂直埋管+辅助散热）
将土壤源和辅助散热<喷泉、冷却塔、河水）联合使用作为空调冷热源的系统，适用于长江以南冷热负荷不平衡地区，通过辅助散热来消除全地源系统导致夏储热量过大，冬用热量过小的不平衡问题。
这种空调系统是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，从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。
夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温。
同时储存热量，以备冬用。
冬季通过热泵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，大地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。
四、地源空调系统的特点
地<水）源热泵与常规空调技术相比有着无可比拟的优势。
（1>利用可再生能源：
属可再生能源利用技术
地源热泵从常温土壤或地表水<地下水）中吸热或向其排热，利用的是可再生的清洁能源，可持续使用。
（2>高效节能，运行费用低：
属经济有效的节能技术
地源热泵的冷热源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。
另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
在制热制冷时，输入1KW的电量可以得到5KW以上的制冷制热量。
运行费用每年每平方M仅为15——18元，比常规中央空调系统低40%左右。
（3>节水省地：
1）以土壤（水>为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染。
2）省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观
（4>环境效益显著
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，在供热时，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。
（5>运行安全稳定，可靠性高：
地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。
燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。
由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受
外界气候影响，运行工况非常稳定，优于其它空调设备。
不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。
整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。
维修量极少，折旧费和维修费也都大大地低于传统空调。
（6>一机两用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、制冷，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。
可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于住宅的采暖、供冷。
（7>自动运行
地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，可无人值守；此外，机组使用寿命长，均在20年以上。
五、地源空调系统的社会效益
在我国的一些发达城市，夏季制冷、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。
特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染，对人们的健康形成了威胁。
因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展的一个重大问题。
传统的采暖空调模式因其产生的环境污染正面临着严峻的挑战。
对于夏季制冷的建筑来说，随着空气热泵空调的普及，空调的实际使用效果正在逐年下降，这是因为空调装机容量的增加，空调局部热岛效应交叉干扰的结果。
天气越炎热，室外的温度越高，空调负荷也越大，而此时空调机向室外散热时，传热温差越小，空调机的运转效率就越低，设备也越费电。
也就是说，除了燃煤供暖给环境造成污染之外，空调机同样会造成大气污染。
另一方面，我国大部分地区冬冷夏热，夏天大量地使用风冷空调，造成某些大城市供电紧张，形成电荒，为了确保不会造成断电等问题出现，有些城市夏
天限制用电量。
另外，因为部分地区没有暖气供应，冬天使用电炉取暖，造成电力供应紧张。
地源热泵机组制冷、供暖所需能量3/4左右来自地能，另外1/4左右来自电力输入，从而减少一次性的矿物能源消耗；不向室外排冷、热风，减少城市热岛效应。
对环境非常友好。
地源热泵空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统。
冬季向建筑物供热，夏季又可供冷。
可广泛应用于各类建筑中，如商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等。
随着21世纪的发展的现在，我国对建筑节能的要求越来越高。
减少我国冬季采暖和夏季供冷所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是每个公民应尽的义务。
特别是近几年来，大中城市为改善大气环境，大力推广使用包括可再生能源的清洁能源。
随着人们生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温，地源热泵技术提供了这一问题的有效解决方案。
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。
一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。
系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。
地源热泵系统的一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。
地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40～60％，节能50%左右。
另外，地源温度恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。
采用土壤源热泵式是一种一劳永逸的换热系统，不存在地下水式换热系统的水井老化、地面下沉以及地下水使用收费的问题；另外系统稳定，不需要利用地下水的水量，不受地下水使用政策和季节变化影响，还可节省地下水资源费；该方式不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到政府水资源政策的限制。
在传统建筑中，空调系统耗电常受室外空气温度影响导致耗电增加，空调制
冷/供热能耗可占到了建筑物总能耗的50~55%。
我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是工业/民用用电、供热仍是以煤炭为主要燃料消耗。
矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2、等有害气体以及CO2等温室效应气体。
大量燃烧矿物燃料所引起的环境问题已日益成为世界关注的焦点。
考虑到建筑的节能环保，提升建筑的品味层次，因地制宜地选用土壤源作为节能环保空调系统的冷（热>源，来替代传统空调系统制冷/供热方式。
采用地源热泵绿色节能能源技术，不仅具有现代化高科技成果的现实客观经济意义,更具有长远的节约型社会发展进步意义。
对于环保生态和高尚品味的健康生活方式正是人们驻足山水、倾心自然的向往所在。
而地源热泵空调恰好秉承了舒适、健康、环保的人性生态观，在山水间延续健康、时尚，把舒适、品味演绎得淋漓尽致！
该工程采用垂直地埋管式地源热泵中央空调相对于其它空调形式的显著优点：
不需燃烧油、煤，解决了住宅室内隐性的污染源，保证室内空气的洁净；
没有燃烧废气的产生，不需存煤放渣的场地，满足生态环保要求；
省却了分体空调室外机的羁绊，有效美化了建筑物的外观格调；
一机多用，一套设备即可实现制冷、供暖及生活热水；
高效节能，比传统中央空调节能40%左右；
机组结构紧凑，节省建筑空间；
可实现各户单独独立计费
六、垂直地埋管换热计算
6.1简化计算<经验公式）
根据本地的土壤特性、气候、地质分布等特点，结合该工程的具体情况和我们以往的实际工程设计经验的数据，本工程设计地埋管单位长度散热量为50W，
6.2软件设计
本公司拥有国内超过30万平M的地下环路工程实例，特别是在建筑物底下埋管和确保地下环路温度场平衡，我公司具有丰富的设计施工经验，而已完成的所有高层建筑工程实例，均已投入正常使用，运行良好。
而且所有施工工程均为本公司自行完成。
本公司主要采用的地埋计算方法为《地源热泵系统工程技术规范》中附录竖直地埋管换热器设计方法及WFI地源热泵地下环路设计软件。
6.3规范公式计算法；省略。
本工程共设计双U地藕孔一号院需打9个孔，二号院需打11个孔，三号院需打9个孔，四号院需打12个孔，五号院需打5个孔，会所需打67个孔，管理用房需打101个孔，孔深均为100M<以地面为准），孔间距4.0M，呈星型布置；井管主要布置在建筑物周围的草坪空地处和建筑物旁边空地处。
该地区的岩石比较多土壤换热性能比较好，适合设计为垂直型双U型设计，换热量为50-60瓦/M，根据系统总冷负荷和总热负荷，考虑一定的同时使用系数，以上打孔数量能够满足使用要求。
打孔深度为100M，考虑对埋管的影响半径取一保险系数，孔间距选定为4M，回填料采用膨润土。
地埋管土壤换热器地源热泵系统就是充分利用了这种浅层低温地热能，把大地作为热交换器来传递热量。
土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而
异，不同的土壤作为热泵的低温热源，目前还难以作出优劣的评价。
影响这个传热过程的主要因素有两个：
一是传热面积；二是土壤的热力参数，包括土壤的热工特性、大地的平均温度，土壤的含水率，土壤的密度，土壤的容积热容量，热扩散率和地下渗流等。
1、埋管特点分析
1）热工特性：
热工特性主要包括导热系数、容积热容量、热扩散率等。
其中导热系数表示土壤传导热量能力的一个热物理特性指标，在数量上为
Kcal/m·h·℃，土壤的容积热容量表征土壤的蓄热能力，而热扩散率则表征土壤温度场的变化速度。
导热系数、容积热容量、扩散率因土壤成分、结构、密度、含水量的不同有异，并随着地区不同和季节的变化而变化。
在同一地区，土壤的放热量大于土壤吸热量。
2）大地的温度：
对大地土壤温度情况的了解是很重要的，因为大地与循环水之间的温差驱动热传递，大地温度接近全年的地表面平均温度，根据测定，10m深的土壤温度接近于该地区全年平均气温，并且不受季节的影响。
在0.3m深处偏离平均温度±15℃在3m深处为±5℃，而在6m深处为±1.5℃，温差波动在较深的地方消失，根据实践记载，平均地下温度在60m深度以下视为恒定。
土壤越深，对热泵运行越有利。
本工程设计打井深度为100mm.
3）含水率：
土壤的含水率是影响传热能力的重要因素，但水取代土壤微粒之间的空气后，它减小微粒之间的接触热阻提高了传热能力。
土壤的含水量在大于某一值时，土壤导热系统是恒定的，称为临界含湿量，低于此时，导热系数下降，在夏季制冷时，热交换器向土壤传热，热交换器周围土壤中的水受热被驱除。
如果土壤处于临界含湿量时，由于水的减少使土壤的传热系数下降，恶性循环，使土壤的水分更多的驱除。
土壤含水率的下降，使土壤吸热能力衰减的幅度比土壤放热能力衰减的幅度相对较大。
所以在干燥高温地
区采用地耦管要考虑到土壤的热不稳定性。
在实际运行中，可以通过人工加水的办法来改善土壤的含水率，在我国北方地下水位较高和冷负荷较小的地区，土壤的含湿量将保持在临界点以上，可以认为大部分地区全年都是潮湿土壤。
有关资料记载，大地下各种固体介质的热工参数如下，可供不同土层结构导热系数大小比较的参考：
地下水的流动：
地下水的渗流对大地的热传递有明显的效果。
实际上，大地的地质构造很复杂，存在着松散的粘土层、砂层、沉积岩层、空气和水层等。
由于地球构造运动，各岩层又出现褶皱、倾斜、断裂现象。
降雨渗入土质层，在重力作用下，向更深层运动，最后停留在不透水层。
地下水在空隙中流动以形成渗流，水的流动不但能传导传热并且又能对流传热。
若地下水渗流流速大于8㎜/h时，就可按水的传热来计算。
2.换热器地埋管的选材
<1） 管材的选择
常用的塑料管UPVC、PB、PP-R、PEX、ABC、PVC、PE中，地埋管换热器采用PE管。
①选用的PE管材要具备以下要求：
a 耐腐蚀性能好：
聚乙烯PE管，耐化学介质的腐蚀，无电化学腐蚀，保证地耦管使用50年以上；
b 良好的柔性、延展性：
聚乙烯PE管，其断裂伸长率一般超过35％；
c 流体阻力小：
聚乙烯PE管内壁光滑，绝对粗糙度K值不超过0.01㎜，使壁内不易结垢，流体磨擦阻力小；
d 优良的挠屈性
聚乙烯PE管小于ф50的较长的管可盘卷供应，减少接头；
e 较好的耐冲击性：
聚乙烯PE管耐冲击强度高，不易破裂；
f 导热系数高：
聚乙烯PE管导热系数大于0.42W/M·℃
g 良好的施工性能：
聚乙烯PE管管质轻，焊接工艺简单，焊接接口的抗拉强度和爆破强度均高于管材本身，施工方便。
②PE管的压力等级
管路所需承受的最大压力等于大气压力、U型管内外液体重力作用静压差和水泵扬程一半的总和。
选用的管材允许工作压力，应大于管路的最大压力。
P=P0＋<ρ1g1h1－ρ2g2h2）＋0.5Ph
其中P——管路最大压力，单位为：
Pa
P0——当地大气压力，单位为：
Pa
ρ1——地下U型管中流体密度，单位为：
㎏/m3
ρ2——地下含水密度，单位为：
㎏/m3
g1——流体重力加速度，单位为：
m/s2
g2——地下水重力加速度，单位为：
m/s2
h1——U型管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
h2——U型管最低点与地下水静止水位深度高度差，m
Ph——水泵扬程，Pa
<2）管径的选择
在管流量部分，在工程中管径的选择既能使管道保持最小的输送功率，又能够使管道内保持紊流，提高循环液体和管道内壁之间的放热系数。
选择管径时必须满足几个原则：
一是管道要大到足够保持泵最小输送功率，减少运行费用；二
是管道要小到足够使管道内保持紊流以保证循环液体和管内壁之间的传热；三是系统环路的长度不要过长。
地耦管的管径选择要考虑到按U型管的所需长度，成盘供应，以减少埋管接头数量，所需管件，降低工程成本。
所以目前采用较多的地耦管直径为PE80-SDR11-ф32。
<3） 地埋管管内流体流量的确定
地埋管管内流体流量的增大，有利于增强流体与管壁之间的换热，提高换热量，但换热量的增加并不完全与流体流量的增加成正比，流体流量的增加不但导致换热器进出液温差减小，而且加大了循环泵的功率。
流量减小到能使管内保持紊流，以保证流体和管壁之间的传热量。
不同地区地埋管内的工作流体有异，在我国南方，采暖期比较短、制冷期长，一般多注入软化水作为工作流体；而在我国北方，采暖期较长，地下埋管进水温度一般低于0℃，因此在循环系统中使用20％的乙二醇溶液。
若地下埋管进水温度高于3℃时，循环系统中使用软化水。
<4）换热器系统的循环泵
为了保证充分地热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统应严格控制水流的临界速度。
因为水流处于层流状态，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水力不平衡。
而在紊流状态下，再增加流速不会对传热带来更大改善。
因此要对地埋管换热器系统作分析，计算最不利环路所得的管道压力损失，加上热泵机组以及系统内其他部件的压力损失，确定水泵的流量与扬程，选择能满足循环要求的水泵的型号，确定水泵台数。
七、各种中央空调系统初投资及运行费用对比
以300㎡的普通公共建筑<住宅）为例,估算制冷装机容量为3万大卡/h,<116.3w/㎡）制热装机容量为2.4万大卡/h.
表一投资比较
系统名称
可比投资（万元>
备注
风冷热泵
7
按照市场一般行情计算
水冷机组+中央热水机组
7.3
按照国产机组价格计算
地<水）源热泵系统
7.6
系统主要部件为进口或合资
土壤热交换器地源热泵系统
9.5
系统主要部件为进口或合资
由表一可以看出,地源热泵空调系统初投资高于其它系统.造价高.由于地源热泵系统运行稳定,在主机选型上不用考虑富裕,因此主机的装机容量至少要减小10%左右.表一的投资没有考虑这一因素
表二：
运行费用比较
系统形式
运行费用<元/m2）
总费用<元）
传统空调系统
28
8400
地<水）源热泵系统
15
4500
土壤热交换器地源热泵系统
15
4500
从表二可以看出，地源热泵系统每年可节约费用为3900元，和传统空调系统相比较，在1-6年时间内可收回增加的投资。
传统空调系统的寿命一般可以到15年以上,按照上述比较,在15年内,运行费用将节约5.85万元.由于地（水>源热泵系统工况良好、运行稳定,可大大延长主机机寿命，因此从使用寿命和运行费用来看.地源热泵系统的经济性是大大高于传统空调系统的.
八、工程分析结论
通过分析服务区的布局以及实地考查，空调工程综合考虑各种中央空调系统的优缺点，地源热泵系统具有经济、节能、环保等多方面的优势，在很大程度上为国家节省了能源，减少了污染，缓解了电荒，又符合我国环境保护与能源可持续科学发展的政策，因此建议甲方选用地源热泵中央空调形式。
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