万平米地源与水冷螺杆对比专项方案剖析.docx
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万平米地源与水冷螺杆对比专项方案剖析
地源热泵＋水冷螺杆机组
和
水冷螺杆机组＋锅炉
空调方案比较
一、工程概况
二、机组选型
三、地换热器设计
四、初投资比较
五、运行费用比较
六、综合对比总表
七、地源热泵介绍
一、工程概况
该工厂总建筑面积为3万平米，依据该工厂使用性质，初步估算出所需要冷负荷和热负荷。
冷负荷暂以200w/m2计算，热负荷暂以100w/m2计算，则总冷负荷为6000kw，总热负荷为3000kw，考虑环境保护节能及保持建筑物美观要求，既要求供冷供暖系统有一定独立性和稳定可靠性，又要求整个系统有一个合理初投资和运行费用。
我们提议采取既环境保护又节能，运行稳定可靠、费用经济地源热泵中央空调系统，来实现该建筑夏季供冷和冬季供暖需求。
{具体介绍一下甲方工程情况以示重视}
二、机组选型
2.1地源热泵＋水冷螺杆方案主机选型
依据设计要求，选择两台制冷量为1400kw（其对应制热量为1500kw）地源热泵主机和两台制冷量为1600kw水冷螺杆机组。
地源热泵主机数量（台）
2
制冷量（KW）
1400
输入功率（KW）
270
制热量（KW）
1500
输入功率（KW）
320
水冷螺杆机组数量（台）
2
制冷量（KW）
1600
输入功率（KW）
380
2.2水冷螺杆方案主机及锅炉选型
某中国优质品牌燃气锅炉性能参数
数量（台）
2
制热量（Kw）
1500×2
某合资品牌螺杆机性能参数：
数量（台）
3
制冷量（KW）
输入功率（KW）
480
三、地换热器设计
首先，考虑到该工厂冷热负荷相差较大，若以冷负荷来计算埋管数量，则势必会增加较多初投资，所以为了节省初投资，我们以热负荷来计算埋管数量和选配地源热泵机组数量及型号，这么，在夏季时，肯定会出现冷负荷不够情况，所以还需要另外增加一台水冷螺杆机组来补充。
可采取土壤为冷热源，采取地埋管方法。
地下换热器分为垂直换热器和水平换热器，水平换热器换热量小，在大型换热器中通常采取垂直换热器。
土壤温度受大气影响较小，年平均温度在12~20度之间，以地下埋管内介质循环和土壤温度进行闭式热交换，作为冷源和热源供主机制冷、制热。
依据对苏州地域地质分析，夏季土壤每米放热量平均为70w，冬季每米取吸热量为50w。
孔深可考虑60~120米。
所以此地埋管我们采取垂直埋管，若孔深以100米计算，则每口井取热量为50w/m×100m=5Kw，埋管数量为3000Kw/5Kw=600口。
孔距取4m，垂直管DN32，水平管DN65。
孔径110mm，HDPE100聚乙烯管阵分布。
对夏季冷负荷校核：
由以上计算可知，在夏季每口井放热量为70w/m×100m=7Kw，两台主机总制冷量为2800kw，则埋管数量为2800Kw/7Kw=400口，小于600口，所以两台主机在夏季制冷量完全能够达成2800kw。
另外，还需以3200kw制冷量来选配两台水冷螺杆机组及对应冷却塔。
1、孔内布管示意图
2、U型管连接方法
说明：
U型弯和PE管采取热熔套筒热熔对接。
3、总管连接
可采取同程连接。
地热换热器安装步骤
1、放线、钻孔
将地热换热器设计图纸上钻孔排列、位置逐一落实到施工现场，孔径约110mm。
孔径大小以能够较轻易插入所设计U型管及灌浆管为准。
本工程设计选择外径为32mmU型管。
灌浆用管采取相同材料和规格，为确保U型管顺利安全地插入孔底，孔径要合适，必需时孔壁应固化。
在钻孔过程中，依据地下地质情况、地下管线敷设情况及现场土层热物性测试结果，合适调整钻孔深度、个数及位置，以满足设计要求，降低钻孔、下管及封井难度，降低对已经有地下工程影响。
当第一个孔钻成后，应立即对钻孔深度方向上土层热物性进行测定，方便对地热换热器设计作合适修正。
2、U型管现场组装、试压和清洗
U型管在现场组装、切割为宜，以满足有可能出现设计变更，尤其是钻孔深度改变需要。
下管前应对U型管进行试压、冲洗。
然后将U型管两个端口密封，以防杂物进入。
冬季施工时，应将试压后U型管内水立即放掉，以免冻裂管子。
3、下管和二次试压
本工程采取是人工下管方法。
下管前，将灌浆管和U型管捆绑在一起。
捆绑结应疏密适中，既要确保三根管竖直不弯，又不能捆绑过紧，造成灌浆管灌浆过程中提升困难；U型管头部设防护装置，以预防在下管过程中损伤；U型管内充满水，增加自重，降低下管过程中浮力。
因为钻孔内通常情况下充满泥浆。
钻完一个个孔，应接着下管。
因为钻好孔搁置时间过长，有可能出现局部堵塞，这将造成下管困难。
下管是将三根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。
U型管长度应比孔深略长，以使其能够露出地面。
下管完成后，做第二次水压试验。
确定U型管无渗漏后，方可封井。
4、灌浆封井和土壤热物性测定
封井材料为膨润土、细砂和水泥混合浆。
用泥浆泵经过灌浆管将混合浆灌人孔中。
回灌时，依据灌浆快慢将灌浆管逐步抽出，使混合浆自下而上回灌封井，确保钻孔回灌密实，无空腔。
封井结束一段时间后，就可利用土壤热物性测试仪进行测定了，并依据测定结果对原有设计进行必需修正。
5、挖槽、安装分集水器
分、集水器通常为直埋敷设。
为预防未来其它管线敷设对其影响或破坏，埋设深度应大部分，通常可控制在1.5m左右。
管道沟挖好后，
沟底应扎实，填一层细砂或细土，并留有0.003～0.005坡度。
分、集水器在地上连接成若干个管段，再置于地沟和U型管相接，组成完整闭式环路。
在分、集水器最高端或最低端宜设置排气装置或除污排水装置，并设检验井。
管道沟回填时，应分层用木夯扎实。
四、初投资比较
为了考察地源热泵中央空调系统配置合理性，这里同时列出了能够一样满足供冷供暖水冷螺杆机组加锅炉系统设备价格估算，以资比较。
同时，因为不管采取何种中央空调系统，末端系统全部是一样，所以不作比较。
注：
以下价格均为初步估算
序号
设备名称
地源热泵＋水冷螺杆
水冷螺杆机组＋燃气锅炉系统
数量
合价（万元）
数量
合价（万元）
2
螺杆式地源热泵机组
2台
200
3
土壤埋管部分
420
（钻孔、埋管、连接、土方）
4
水冷机组
2台
170
3台
320
5
燃气锅炉（含燃气接入费及管道安装所增加费用）
2台
110
6
冷却塔
（含所增加对应水泵）
2台
40
3台
75
7
累计
830
505
增加费用
325
----
注：
该比较未考虑各自运行维护费用
从上表能够看出，采取地源热泵＋水冷螺杆机组系统比水冷螺杆机组＋燃气锅炉初投资系统价格高325万元。
五、运行费用比较
以下计算均依据：
（1）制冷季120天，天天10小时
（2）供暖季120天，天天10小时（3）电费为0.9元/KWh（5）空调同时使用系数按0.8计算
地源热泵＋水冷螺杆机组系统运行费用
⒈夏季供冷运行费用：
夏季高峰供冷时，两台地源热泵机组和两台水冷螺杆机组均工作，所以主机夏季总耗电量：
2×（270kW＋380kW）×120天×10h×0.8=1248000kWh
通常辅助设备（末端、水泵、电子仪器）耗电约是主机设备耗电30%。
辅助设备耗电1248000kWh×30%=374400kWh
总耗电费用：
（1248000kW+374400kW）×0.9=1460160元
⒉冬季供暖运行费用：
冬季供热高峰时，两台地源热泵机组均工作。
所以主机冬季总耗电量：
2×320kw×120天×10h×0.8=614400kWh
辅助设备耗电184320kWh
总耗电费用：
（614400kWh+184320kWh）×0.9=718848元
3．整年空调总费用：
1460160元+718848元=2179008元/年
水冷螺杆机组＋燃气锅炉系统运行费用
⒈夏季供冷运行费用：
夏季高峰供冷时，三台水冷螺杆机组满负荷工作。
所以主机夏季总耗电量：
480×3×120天×10h×0.8=1382400kWh
因为比地源热泵多对应冷却塔及对应冷却水泵
所以辅助设备耗电=1382400kWh×40%=552960kWh
总耗电费用：
（1382400kWh+552960kWh）×0.9=1741824元
⒉冬季供暖运行费用：
冬季供热高峰时，热负荷为3600kW，天然气发烧量按35590kJ/Nm3，价格为2.6元/Nm3，锅炉效率按0.9，锅炉冬季总耗气量：
3000kW×120天×10h×3600×0.8/（35590kJ/Nm3×0.9）=323686Nm3
燃气费用：
323686Nm3×2.6元/Nm3=841584元
辅助设备耗电费用和地源热泵一样，为184320kWh，计165888元。
总费用：
841584元+165888元=1007472元
3．整年空调总费用：
1741824元+1007472元=2749296元/年
运行费用汇总表
项目
单位
地源热泵机组
水冷螺杆机组+燃气锅炉
夏季供冷总费用
RMB￥
1460160元
1741824元
冬季供暖总费用
RMB￥
718848元
1007472元
整年总费用
RMB￥
2179008元
2749296元
年节省运行费用
RMB￥
-570288元
六、综合对比总表
方案一
地源热泵＋水冷螺杆机组
方案二
水冷螺杆机组+燃油锅炉
造价
830万元
505万元
年运行费
2179008元
2749296元
运行费用
较低
较高，尤其是冬天采暖费用
使用寿命
主机不需要四通换向阀。
仅经过水路切换，常年在单一工作模式下运行，稳定。
地下埋管50年以上，主机寿命25年左右
寿命相对较短
空调系统部署
相对简单
相对复杂
年维修管理费
地埋管不需维护，主机操作方便
锅炉房需要有专职人员管理
另外，锅炉还需定时进行年检
占地
机房占地较少。
需增加一个锅炉房面积
故障率
极低
相对较高
结论：
诚然，一个空调系统初投资当然关键，但年运行费，使用寿命，年维修管理费等各方面一样关键，我们假如从综合角度去看，应优先选择地源热泵＋水冷螺杆机组空调系统。
{具体介绍一下甲方工程情况以示重视}
七、地源热泵空调系统介绍
一般空调介绍
任何空调系统工作过程实际上就是一个能量转移过程。
比如：
夏季是把室内能量（热量）转移到室外（其表现就是室内温度降低）；冬季是把室外能量（热量）转移到室内（其表现就是室内温度升高）。
这个能量转移过程是经过空调机组运转来实现，实际上空调机组就是起到一个搬运能量作用。
空调系统系统组成
（1）压缩机
（2）冷凝器
（3）蒸发器
膨胀阀
（4）膨胀阀
四大部件关键工作：
空调系统四大部件中，压缩机及膨胀阀是为了配合两器工作。
冷凝器：
放热过程，就是经过此设备把能量（热量）释放出来。
蒸发器：
吸热过程，就是经过此设备把能量（热量）吸收进来。
夏季：
空调机组蒸发器在室内吸收热量，此热量经过机组运转被转移到冷凝器内，再由冷凝器释放到室外，从而达成降温目标（室内）。
冬季：
空调机组蒸发器在室外吸收热量，此热量经过机组运转被转移到冷凝器内，再由冷凝器释放到室内，从而达成升温目标（室内）。
依据工作类型空调机组分为以下几类
（１）风冷机组：
从自然界风中吸热（冬季）或放热（夏季）
（２）水冷机组：
从自然界水中吸热（冬季）或放热（夏季）
A 冷却塔形式
B地温热泵形式
（３）溴化锂吸收式机组（这里不做介绍）
1、背景
环境污染和能源危机已成为当今社会两大难题，怎样在享受同时付出最少代价逐步成为人类共识，在这种背景下以环境保护和健康为关键特征绿色建筑应运而生。
尽可能少地消耗能源为建筑物发明舒适环境已经成为空调发展方向，开发利用天然冷/热源能够为空调带来节能和环境保护双重效益，所以越来越受到大家重视。
地下土壤是一个巨大天然资源，其热惰性极大，整年温度波动很小，通常说来，埋藏于地表20m以下土壤可常年维持在该地域年平均温度左右，是一个理想天然冷热源。
2、地源热泵介绍
地源中央空调系统是一个从土壤资源中提取热量高效、节能、环境保护、再生供热（冷）系统。
该系统是成熟热泵技术、暖通空调技术配套地埋管技术于一体，在相对稳定水体温度下高效、稳定、经济运行。
地埋管内循环水吸收土壤中热量，地源中央空调系统是由末端系统、水源热泵系统和地埋管水源水系统三部分组成。
为用户供热时，地埋管内循环水吸收土壤中热量，水源中央空调系统从地埋管中循环水中提取低品位热能，经过电能驱动水源中央空调主机（热泵）“泵”送到高温热源（即空调水系统），以满足用户供热需求地埋管内循环水。
为用户供冷时，水源中央空调系统将用户室内余热经过水源中央空调主机（制冷）转移到地埋管内循环水中，经过地埋管向土壤放热，以满足用户制冷需求。
地源中央空调主机系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、多种制冷管道配件和电器控制系统等组成。
地源热泵是利用了地球本体所储藏太阳能资源作为冷热源，进行能量转换冷暖空调系统。
地表土壤和水体不仅是一个巨大太阳能集热器，搜集了47%太阳辐射能量，比人类每十二个月利用能量500倍还多（地下水体是经过土壤间接接收太阳辐射能量），而且是一个巨大动态能量平衡系统，地表土壤和水体自然地保持能量接收和发散相正确均衡。
这使得利用储存于其中似乎无限太阳能或地能成为可能。
所以说，地源热泵是利用可再生能源一个有效路径。
制冷工况实现只需经过合理地设计用户系统和水源水系统管道和阀门，切换阀门来实现进蒸发器水源水改善冷凝器，进冷凝器用户系统循环水改善入蒸发器，以达成制冷目标。
（反之则为供热工况）
3、地源热泵中央空调系统工作原理图
在上图中，机组提取土壤中低位能量并将其聚变为高位能量，然后输送给冷暖水循环系统（用户末端）。
整个系统仅消耗电能，无任何污染。
主机占地面积比传统方法大大降低，可放置在地下室等空间。
4、地源热泵中央空调系统应用条件
通常来说，只要建筑物周围能够打孔埋管项目均可使用该技术，利用范围较广，不受太多条件限制。
5、地源热泵特点
环境保护洁净
●没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，社会效益显著。
●自由利用土壤资源。
节水省地
●以土壤为源体，向其吸收或放出能量，即不消耗水资源，也不会对其造成污染。
●省去了锅炉房，冷却塔及隶属煤场、渣场所占用宝贵面积。
节能经济
●能源利润率为传统方法3—4倍，投入1KW电能可得到4—5KW以上制冷或供热能量。
●运行费用可节省1/2—1/3。
灵活安全
●真正做到“一机三用”。
利用地源热泵冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，也可提供卫生热水，提升了设备利用率。
●机组可灵活地安置在任何地方，节省空间。
系统末端亦可作多个选择。
●无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。
●自动化程度高，无需专业人员操控。
用途广泛
●从严寒地域至热带地域均适用。
●可为办公楼、宾馆、医院、饭店、超市、幼稚园、别墅、居民小区等提供中央空调系统，并可同时提供生活热水。
●可为纺织、化工、食品、电子等行业提供工艺冷冻水
运行可靠
●机组运行工况稳定，几乎不受环境温度改变影响，即使在严寒冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑了。
●机组关键零部件全部采取进口设备，维护简单，主机运行寿命可达25年以上。
6、地（水）源热泵中央空调市场前景
1）.本项目是一个利用低位能源（空气、土地、水、太阳能、工业废热等）替换一部分高位能源（煤、石油、电能等）以实现节能目标高新技术，因为其所含有高热能转换效率（1：
4），无污染，运行成本低，便于物业管理，系统使用寿命长等特点，备受世界能源、环境保护组织和发达国家推崇，并被市场广泛接收，自八十年代以来，年增加率一直保持在20%以上。
如美国，85年只有14000台水源热泵，99年末统计，已安装了400000台。
水源热泵系统已占空调总保有量20%，其中新建筑中占30%，这么将降低温室气体1百万吨，相当于降低50万辆汽车污染物排放，年节省能源费用达4.2亿美元，美国水源热泵研究和应用偏重于住宅和商业小型系统（60KW以下），而中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家则偏重于大型机组。
据99年统计，水源热泵在新建房屋中利用率，瑞士为96%，意大利为38%，丹麦为27%。
2）.在未来几年中，中国面临着巨大能源压力。
中国经济在保持较高速度增加同时,必需考虑环境保护和可连续发展问题。
所以要求提升能源利用率，要求能源结构调整。
调整能源结构方向就是从以煤为主转为以燃气、电为主。
中国政府已于一九九七年和美国政府签署热泵技术引进协议；国家建设部1999年提出在内建筑节能效率要在现有基础上提升50%；北京市政府已明令在四环以内，撤掉全部燃煤锅炉，在三年内改造1000万平方米建筑取暖方法，使用清洁能源，并在财政上给予扶持。
3）．据调查统计，中国住宅空调安装率快速增加。
上海居民住宅空调拥有率已超出60%，北京34%，城镇居民拥有率20%，空调很可能成为冰箱、彩电后普及又一个家电。
这么，对于黄河、长江中下游地域城市，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要满足统一考虑采暖和空调需求综合性问题。
为此，采取含有很多优势地（水）源热泵方法将成为这种需求最具竞争力住宅供热空调方法。
4）．自95年以来，经过5年市场导入和近200个完工项目标示范效应，中国建筑热泵市场已经开始开启，据教授估量，该市场成长久市场总值每十二个月可实现50-100亿元，成熟期则可望达成500亿-800亿元。
5）．现在全国十多个省市有近20家企业在着手开发地（水）源热泵项目，但有产品和示范工程企业却极少，中国大多数企业均是引进技术和零部件，组装生产。
而地源热泵技术在国际上已经有30多年历史，技术很成熟。
外国企业在中国推广已经有多年，现在已经有很多象征性示范工程。
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