地源热泵方案设计.docx

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地源热泵方案设计

崇明岛办公楼

地源热泵中央空调供热系统

设

计

方

案

Xxxxxxxxxx

2010-12-7

第一章工程概况

一、项目概述

本项目为山东某酒店项目，酒店为地上两层，建筑面积约为881平方米。

空调要求夏季制冷，冬季供暖，。

二、地源热泵技术在本项目中的应用

在满足空调要求的基础上为响应国家节能减排的号召，拟采用在长期运营上更为节能的地源热泵系统作为本项目的冷热源。

地源热泵系统（Ground-SourceHeatPump）是随全球能源危机和环境问题出现，逐渐兴起的一项节能环保技术。

地源热泵系统是以地表能为热源，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。

地源热泵系统冬季供暖时，把地表中的热量“取”出来，供给室内采暖，同时向地下蓄存冷量，以备夏用；夏季制冷时，把室内热量取出来，释放到地表中，向地下蓄存热量，以备冬用，因此说地源热泵系统是可再生能源利用技术。

地源热泵系统不存在对大气排热、拍冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染，是真正的绿色能源。

地源热泵是目前最流行的空调方式。

与传统的空调相比具有更加节能、运行费用更低、运行工况更加稳定的优点，是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。

本文就对地源热泵系统设计进行详细阐述，并和传统的风冷热泵系统进行初投资和运行成本的综合比较。

第二章设计依据

一、国家相关设计规范和标准

《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003；

《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005；

《地源热泵系统工程技术规范》GB50366－2005；

《使用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社第二版；

《地埋管地源热泵技术》高等教育出版社；

《水源·地源·水环热泵空调技术及应用》机械工业出版社；

《全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调·动力》；

《建筑给水排水设计手册》中国建筑工业出版社第二版；

二、室内外设计参数

1、室外气象参数

夏季空调室外计算干球温度：

34.8℃

夏季空调室外计算湿球温度：

28.1℃

冬季空调室外计算干球温度：

-4℃

冬季空调室外计算相对湿度：

79%

夏季通风室外计算干球温度：

30.6℃

冬季通风室外计算干球温度：

-1.1℃

主导风向和风速：

夏季SSE，2.4M/S；冬季NNE，2.7M/S

大气压力：

夏季，；冬季，

2、室内设计参数

房间名称

室内参数

新风量

夏季

冬季

℃

%

℃

%

房间

26±2

〈65

20±2

≥30

一次换气

第三章负荷计算与分析

一、负荷计算及分析

1、空调冷热负荷计算

由于是初步设计，我们对空调冷热负荷进行估算，包括建筑维护结构的传热、照明及电气设备的发热、食物的散热、人体的散热、门窗渗透新风的热量等。

上海属于夏热冬暖地区，以供冷为主，冬季采暖时间较短，这里对冷、热负荷分别进行了估算。

负荷估算详细见下表：

楼层

房间

空调面积

冷指标

热指标

冷负荷

热负荷

（m2）

（W/m2）

（W/m2）

（KW）

（KW）

1F

产品展示厅

48

150

120

7200

5760

总经理办公室

46

180

150

8280

6900

总工程师办公室

47

180

150

8460

7050

经营办公室

105

180

150

18900

15750

办公室

33

180

150

5940

4950

门厅

103

150

150

15450

15450

走廊

85

150

150

12750

12750

副总经理办公室

69

180

150

12420

10350

副总经理办公室

68

180

150

12240

10200

2F

走廊

25

150

150

3750

3750

接待室

70

180

150

12600

10500

大办公室

152

200

180

30400

27360

财务室

22

180

150

3960

3300

休息室

24

180

150

4320

3600

经过估算可知，夏季峰值冷负荷，冬季峰值热负荷。

二、负荷分析

根据建筑使用功能及室外气象参数资料对全年的冷、热负荷进行分配和统计。

营业时间暂8点至夜间9点考虑，设计日逐时负荷分配见下表：

时间

冷负荷（kW）

热负荷（kW）

08:

00-09:

00

459

492

09:

00-10:

00

10:

00-11:

00

486

11:

00-12:

00

513

12:

00-13:

00

513

13:

00-14:

00

540

14:

00-15:

00

540

369

15:

00-16:

00

513

16:

00-17:

00

486

17:

00-18:

00

342

311

18:

00-19:

00

255

220

19:

00-20:

00

113

97

20:

00-21:

00

89

70

夏季制冷暂按165天计算，从5月至10月中旬；冬季制热暂按135天计算，从11月至3月中旬。

我们把制冷、制热季节的负荷分别按照100%、75%、50%和25%四个区域，不同负荷区域所占运行时间的比例分别为：

、、、。

（制冷协会提供的经验值）

则可以计算出全年的累计空调冷负荷为12439kWh，累计空调热负荷为8670kWh。

则可知：

全年累计冷负荷为12439kWh，累计热负荷为8670kwh。

累计冷热负荷的计算可以提供两个计算依据：

1）地源热泵系统全年的冷热平衡；

2）地源热泵系统全年的运行费用。

第四章地源热泵系统设计

一、地源热泵系统配置

1、地源热泵机组选型

由负荷计算结果可知夏季冷负荷约为，冬季热负荷为，地源热泵机组按冬季负荷配置，若仅配置一台地源热泵机组则无备用机组，这不利于系统安全可靠性，拟按夏季负荷配置三台地源热泵机组，相互备用。

根据以上分析可确定选择制冷量为，制热量的地源热泵机组三台,详细性能参数如下表：

设备名称

性能参数

数量

地源热泵机组

制冷/热量：

1

WPWE240

夏季：

供回水温度：

7/12℃

冬季：

供回水温度：

45/40℃

输入功率：

夏季，冬季

地源热泵机组

制冷/热量：

49/67kW

2

WPWE200

夏季：

供回水温度：

7/12℃

冬季：

供回水温度：

45/40℃

输入功率：

夏季11kW，冬季

按照本配置系统可提供的总制冷量为，总制热量为，完全可以满足建筑冷热负荷需求。

2、附属设备选型

设备名称

性能参数

数量

备注

地源侧循环泵

流量：

14m3/h

4

一用一备

MHI-803

扬程：

35m

输入功率：

负荷侧循环泵

流量：

14m3/h

4

一用一备

MHI-803

扬程：

35m

输入功率：

全自动软水器

流量：

1m3/h

1

功率：

20W

软水箱

体积：

1000L

1

定压膨胀补水机组

功率：

2

YH-HX-2-30

3、系统用电量

设备名称

单台用电量（kW）

数量

合计用电量（kW）

地源热泵机组

1

地源热泵机组

11

2

22

地源侧循环泵

4

4

负荷侧循环泵

4

4

合计

二、地埋管系统配置

1、地埋管长度计算

地源热泵系统夏季向大地放热量以及冬季向大地取热量分别按下式计算：

式中，

——夏季向土壤排放的热量；

——夏季冷负荷；

——冬季从土壤吸收的热量；

——冬季热负荷；

——设计工况下地源热泵机组EER；

——设计工况下地源热泵机组COP

根据以上计算公式可得按照所选地源热泵机组性能参数，地埋管系统夏季放热量与冬季吸热量计算见下表：

冷负荷（kW）

热负荷（kW）

机组EER

机组COP

夏季土壤吸热量（kW）

冬季土壤放热量（kW）

158

138

648

449

根据以上计算结果，拟采用单U型埋管，管径De32，间距4米，夏季单位井深换热量取60W/m，冬季单位井深换热量取45W/m，井深80米。

据此计算地埋管数量见下表：

工况

换热量（kW）

单位井深换热量（W）

埋管总长度（米）

井孔数（口）

制冷工况

158

60

2634

33

制热工况

138

45

3066

38

2、全年冷热平衡的模拟校核

为了确保地埋管系统的安全可靠性，我们取5%的安全系数，把地埋管井数量放至40口，并利用专业的地源热泵设计软件“地热之星”对其15年连续运行状况进行模拟计算，结果如下图：

由模拟计算可知地埋管系统冷热基本平衡，孔壁温度变化幅度较小，循环液最高平均温度32℃，最低平均温度为6℃。

完全满足地源热泵工况要求。

3、埋管数量的最终确定

根据以上计算和模拟可知：

本项目地埋管系统应钻孔40口，深度80米，孔径135mm，采用单U型埋管，管径De32，间距4米，占地面积约为640平方米。

三、系统运行策略

本项目采用地源热泵系统，其运行策略的制定应重点是能够满足全年不同系统的冷热负荷，并结合自控系统实现：

由地源热泵系统夏季空调供冷，冬季空调供热；

四、室内空调形式及设备选型

1、室内空调形式

室内空调形式：

房间采用风机盘管加新风系统。

2、室内空调设备选型

室内空调设备选型见下表：

房间

空调面积

冷负荷

风机盘管

数量

新风机组

数量

（m2）

（kW）

产品展示厅

48

7200

HFCF05　

2　

新风机组YAH02　

2　

总经理办公室

46

8280

HFCF06

3

总工程师办公室

47

8460

HFCF06

3

经营办公室

105

18900

HFCF05

6　

办公室

33

5940

HFCF05

2　

门厅

103

15450

HFCF05

4

走廊

85

12750

HFCF05

4　

副总经理办公室

69

12420

HFCF06

3　

副总经理办公室

68

12240

HFCF06

3

新风机组YAH02

1　

走廊

25

3750

HFCF03

2　

接待室

70

12600

HFCF06

3　

大办公室

152

30400

HFCF06

8　

财务室

22

3960

HFCF06

1

休息室

24

4320

HFCF06

1

合计

第五章经济性分析

本章节通过和传统的风冷热泵系统进行初投资及运行费用的比较，来分析地源热泵系统的经济性。

一、初投资比较

1、地源热泵系统初投资

1）地埋管部分初投资

序号

项目

数量

单位

单价（万元）

合价（万元）

01

钻孔及垂直埋管

40

口

16

02

水平管铺设

1

项

3

3

03

土方开挖回填及外运

1

项

1

1

小计

20

2）地源热泵机房部分初投资

序号

项目

数量

单位

单价（万元）

合价（万元）

01

常规地源热泵机组

2

台

6

12

02

常规地源热泵机组

1

台

03

地源侧循环泵

4

台

04

负荷侧循环泵

4

台

05

全自动软水器

1

台

1

1

06

软水箱

1

台

1

1

07

定压膨胀补水机组

1

台

2

2

08

地源热泵机房自控系统

1

套

12

12

09

机房部分安装

1

项

小计

3）冷热源部分总投资

序号

项目

数量

单位

合价（万元）

01

地埋管部分

1

项

20

02

地源热泵机房部分

1

项

总计

4）室内空调部分初投资

序号

项目

数量

单位

单价（万元）

合价（万元）

01

风机盘管

45

台

9

02

新风机组YAH02

3

台

03

室内部分安装

1

项

10

10

小计

则地源热泵系统总的初投资为万元

2、风冷热泵系统初投资

1）风冷热泵系统配置

风冷热泵主机选型：

设备名称

性能

台数

风冷热泵机组

制冷/热量：

75/86kW

2

CSRAN-0602-B

夏季：

供回水温度：

7/12℃

冬季：

供回水温度：

45/40℃

输入功率：

夏季19kW，冬季24kW

附属设备选型：

设备名称

性能参数

数量

备注

空调冷热水循环泵

流量：

50m3/h

2

一用一备

160/2/7

扬程：

32m

输入功率：

热回收侧循环泵

流量：

16m3/h

2

一用一备

100/2/1

扬程：

10.8m

输入功率：

全自动软水器

流量：

1m3/h

1

功率：

20W

软水箱

体积：

1000L

1

定压膨胀补水机组

功率：

1

YH-HX-2-30

2）风冷热泵系统初投资

序号

项目

数量

单位

单价（万元）

合价（万元）

01

常规风冷热泵机组

2

台

02

空调冷热水循环泵

3

台

1

3

03

全自动软水器

1

台

1

1

04

软水箱

1

台

1

1

05

定压膨胀补水机组

1

台

2

2

06

地源热泵机房自控系统

1

套

12

8

07

机房部分安装

1

项

30

30

小计

加上室内空调部分，风冷热泵系统总造价为万元。

通过计算可知：

1）地源热泵系统初投资为万元；

2）风冷热泵系统初投资为万元；

3）地源热泵系统初投资高万元。

二、运行费用比较

1、地源热泵系统年运行费用

根据负荷计算分析可知：

本项目全年累计冷负荷12439kWh，累计热负荷为8670kWh；

根据系统配置可知：

地源热泵机组制冷能效比为，制热能效比为；平均电价按2元/kWh计算。

则可以计算出：

1）地源热泵系统年耗电量为7538kWh；

2）地源热泵系统年运行费用为万元。

2、风冷热泵系统年运行费用

根据负荷计算分析可知：

本项目全年累计冷负荷12439kWh，累计热负荷为8670kWh；

根据系统配置可知：

风冷热泵机组制冷能效比为，制热能效比为；平均电价按2元/kWh计算。

则可以计算出：

1）风冷热泵系统年耗电量为8723kWh；

2）风冷热泵系统年运行费用为万元。

3、投资回收期及使用寿命周期内的经济收益

通过计算可知：

1）地源热泵系统年运行费用为万元；

2）风冷热泵系统年运行费用为万元；

3）地源热泵系统每年节省运行费用万元。

则，采用地源热泵系统2年即可收回高出部分的投资，若系统的使用寿命按15年考虑，则在其使用寿命周期内可节约万元。