可再生能源技术在建筑工程中的应用.docx
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可再生能源技术在建筑工程中的应用
可再生能源技术在建筑工程中的应用
——水源热泵在建筑中的应用实例
目前，我国有441亿平方米存量建筑，真正达到节能标准的不到10%，九成以上属于耗能建筑。
我国平均每年约新建20亿平方米建筑，其中属于节能建筑的不足5成。
而我国建筑能耗占全社会总能耗的30%，已超过工业、交通、农业等其它行业，居各行业能耗之首，且建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。
而这“30%”还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例，如果再加上建材生产过程中耗掉的能源（占全社会总能耗的16.7%），和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%。
此外，我国资源占有量不到世界平均水平的1/5，而单位建筑面积能耗是气候相近的发达国家的3～5倍。
一、水源热泵系统的优点及在建筑节能中的重要位置
1.水源热泵的概念
水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。
水源热泵可分为地源热泵和水环热泵。
地源热泵包括地下水热泵、地表水（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵；利用自来水的水源热泵习惯上被称为水环热泵。
2.水源热泵的原理
地球表面浅层水源（一般在200米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。
水源热泵技术的工作原理就是：
通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。
水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。
3.水源热泵的优点
水源热泵与常规空调技术相比，有以下优点：
1、高效节能
水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。
水源热泵机组可利用的水体温度冬季为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。
而夏季水体温度为18～35℃，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，从而提高机组运行效率。
水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.3～5.0kW.h的热量或5.4～6.2kW.h的冷量。
与空气源热泵相比，其运行效率要高出20～60％，运行费用仅为普通中央空调的40～60％。
2、属可再生能源利用技术
水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。
其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。
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，比人类每年利用能量的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发散的相对的均衡。
这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。
所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
3、节水省地
以地表水为冷热源，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；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、环保效益显著
水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。
所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，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、一机多用，应用范围广
水源热泵系统可供暖、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，水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同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。
其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。
水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅、住宅小区的采暖、供冷。
6、运行稳定可靠，维护方便
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的变动，水体温度较恒定的特性，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；采用全电脑控制，自动程度高。
由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。
7、符合国家政策，获得政策性支持
国家十分重视可再生能源开发利用工作，《中华人民共和国可再生能源法》已于2006年1月1日起实施；同时，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。
从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。
根据国家建设部政策规定，凡采用水源热泵空调技术的建筑物，通过向当地建委申报，可获得政府的政策性支持，减免建筑配套费用140～200元/m2。
二、水源热泵系统在赤峰国际会展中心的应用实例
1.工程概况
赤峰国际会展中心是集会议、展览、商务于一体的综合性项目。
建筑地址位于赤峰市新城区玉龙大街与宝山路交汇处西南侧，地势优越，交通便利，是赤峰市新城区的核心地带。
作为赤峰市的标志性建筑，赤峰国际会展中心力求建成“安全、环保、美观、实用”的现代化、专业化的国内一流展览中心。
赤峰国际会展中心是赤峰市规模大、功能全、具有现代气息的会展中心。
它的启动建设对进一步拉大新城区的城市框架、完善城市服务功能、推动新城区持续快速健康发展具有重要作用。
此外，对于提升我市的城市品位，增强城市的吸纳辐射能力，搭建地区间经贸合作与交流平台，推动区域经济快速发展
将产生深远影响。
1.1地理位置
项目建设地点位于内蒙古赤峰市西部新城区玉龙大街与宝山路的交汇处。
西北与市政府大楼遥相对映；北为赤峰市疾控中心大楼；南与漠南长廊景观相邻；西面是市政府大楼前的玉龙广场；东为规划中的住宅用地。
地势优越、交通便利，是新城区的核心地带。
1.2建筑规模
赤峰市国际会展中心占地面积78亩，总建筑面积37435平方米，包括：
①展览中心展厅建筑面积16000平方米，可提供国际标准展位688个。
②会议中心建筑面积15000平方米。
分为：
地下建筑面积1341平方米，可做设备用房及附属用房；
一层多功能大剧院面积4012平方米，可容纳1500人；
6米夹层会议、办公及附属面积4435平方米，中小型会议室共4
间；
11米夹层会议、办公及附属面积5212平方米，并配置350㎡的同声传译会议室一间，可容纳200人，其它小型灵活会议室共7间。
1.3建筑特点
赤峰国际会展中心是赤峰市规模大、功能全、具有现代气息的会展中心。
作为赤峰市年度重大工程之一，它凝聚了市政府和商界的智慧和力量，为赤峰市新城区建设掀开了新的一页。
赤峰市国际会展中心将在创造自身经济效益的同时，还将带来无法估计的社会效益。
它的建成还将在创造就业机会、改变产业结构、增强贸易往来、扩大对外交流与招商引资、提高城市知名度、改变城市环境和市民素质等多方面，发挥日益重要的作用。
它的启动建设对进一步拉大新城区的城市框架、完善城市服务功能、推动新城区持续快速健康发展具有重要作用。
此外，对于提升城市品位，增强城市的吸纳辐射能力，搭建地区间经贸合作与交流平台，推动区域经济快速发展将产生深远影响。
赤峰国际会展中心坚持“以人为本、不断创新”的设计理念，不仅充分考虑建筑设计的形态、色彩、质感等给人带来的视觉冲击，还在建筑功能上力求尽善尽美。
1.4赤峰地区可再生能源状况
赤峰市中心城区位于内蒙古自治区赤峰市的南部，地理位置为北纬42°17′，东经118°53′，属太阳能资源较富区，太阳能辐射量在5400至6700兆焦耳/㎡，年日照在3300小时，仅次于西藏，居全国第二位。
赤峰市在区域上地处新华夏第三隆起带的北段。
东接松辽凹陷，西临呼伦贝尔至巴音和硕盆地，大兴安岭南段斜贯其北部。
以西拉木沦河为界，北部以华夏系、新华夏系构造形迹为主，南部地区不但华夏系、新华夏系构造形迹明显，同时发育出规模宏大、行迹显著的阴山东西向复杂构造带。
赤峰市位于阴山东西向复杂构造带的东段，与新华夏构造体系大兴安岭褶皱带交接，构造复杂，为地热的形成提供了有利条件，同时也为我们推广使用可再生能源在城市住宅小区、大型公共建筑的应用提供了得天独厚的自然资源。
赤峰市及周边地热资源丰富，已发现的中低温地热田有：
北部的克什克腾旗热水，南部有宁城八里罕热水，西部有大庙（属河北地界）热水，东有敖汉林家地热水，水温在60—90℃，单井出水量在500至2000吨/日。
赤峰市城区地下水丰富，主要分布在西泊河，半支箭河，阴河的交汇部位，统称英金河，地下水类型为潜水，含水层岩性为沙砾石，地下水埋藏深度10—20米，含水层厚度30—50米/日。
地下水平均温度9℃，局部地段地下水水温10—12℃，适宜地能的应用。
三、主要内容
根据可持续发展的建筑理论，响应《可再生能源法》精神，本项目综合利用浅层地热能可再生能源，推动可再生能源的推广使用。
夏季通过采用地下水直接利用技术，使展厅、会议及多功能厅实现地
下水直接供冷，空调负荷100%由浅层地热能提供。
冬季采用水源热泵系统提供展厅、会议及多功能厅的采暖负荷，浅层地热能提供的能量占采暖总能耗的60%以上。
（一）、供水管网及回水管网设计
1、供水管网设计
供水管网为树枝状管网平面布置（见会展中心总布置图），最高时用水量为500立方米/小时（0.139立方米/秒），由三座泵站供水，其中每个泵站的供水量为167立方米/小时（0.0464立方米/秒），其中三座泵站及备用泵站分别设在0.5.8.9等节点上。
2、各供水断管径的确定
在用水量确定的情况下（也就是比流量的标准已确定），为使供水管道最适合该工程用水，并减少其各部分的水头损失，首先我们要确定供水管道内的流速（也就是经济流速）。
选取经济流速为v=1.2m/s
根据公式D=√4а/πv（给水工程设计）
其中D——管段直径（m）
а——管段流量m3/s
v——经济流速m/s
а1=166.7m3/h=0.0463m3/sv=1.2m/s（经济流速）
经计算D1=√4а/πv=0.222m=222mm取D1=250mm
а2=333.3m3/h=0.093m3/s
D2=0.314m=314mm取D2=300mm
а3=500m3/h=0.139m3/s
D3=0.384m=384mm取D3=400mm
3、水头损失计算
根据海普-威廉公式
h=（10.7×Q1.852×L）/c1.852×d4.87
其中l——管段长度（m）
d——管径（m）
a——流量m3/s
c——系数（海普-威廉式的c值查表5-3《给水设计》，得：
c=130（焊接钢管）
计算得h1=0.83m
h2=0.43m
h3=0.29m
h=h1+h2+h3=1.55m
由此计算及中央空调高度选取水泵。
4、回水管网设计
赤峰市会展中心中央空调采用水源热泵空调设备控制会展中心的温度，即设备内通过供水形成一次水循环，并将原供给水量回送于地下，属于一个地下水人回灌过程，又由于地下水开采量与回灌量相等，以达到开采和补给均衡。
（1）回水管网计算
已知回灌总量Q=500m3/h（0.139m3/s）
其中，回灌管线总长度为440m
管线比流量qs=（Q-∑q）/∑L
式中qs——比流量，升/秒.米（lm/s.m）
Q——管网总回灌水量（lm/s）
∑q——大用户集中用水量，（lm/s）（本设计无）
iq=0
∑L——干线回灌管总长度（m）
有了比流量就可以求出各管段的沿线流量按公式（5-2）
qL=q.l（lm/s）,根据5-2式的关系
求出各管段的沿线流量如下表（5-1）
5-1表
管段
编号
长度（米）
沿线流量（lm/s）
管段编号
长度（m）
沿线流量（lm/s）
10-8
140
44.23
4-3
50
15.8
8-7
40
12.64
3-2
50
15.8
7-6
40
12.64
2-1
40
12.64
6-4
80
25.27
合计
440
139.2
考虑到该工程的用水面积为一个单位，回水量较小，并属于人工回灌地下水，应根据该工程情况，通过各段管径控制每个单井的回灌量，应在6个回灌井上平均分配回灌量，故要将各节点回灌量平均分配见表5-2表
沿线流量平均分配表
5-2表
管线编号
长度（m）
沿线流量（lm/s）
管线编号
长度（m）
沿线流量（lm/s）
10-8
140
19.86
4-3
50
19.86
8-7
40
19.86
3-2
50
19.86
7-6
40
19.86
2-1
50
19.86
6-4
80
19.86
合计
440
139.02
（2）回灌管网各段管径的确定
在树枝状管网的节点流量算出后，可按照节点流量平
衡条件分配各管段流量，然后采用无压方法计算回灌流量，根据其经济流速确定各段回灌干管及支管的管径。
由流量、管径和管长计算各管段的水头损失，其中：
1、回灌干管水利计算根据流量分配公式5-14
Qi——节点I的节点流量（lm/s）
qij——在节点I上的各管段流量（lm/s）
2、回灌干管各管段的管径计算，采用公式（5-14）
管径D=根号下4a/πv
式中D——管段直径（m）
Q——各管段上的干管流量（m3/s）
v——经济流速m/s
3、回灌干管各管段（节点）的水头损失计算
采用海普-威镰公式（5-25）
hf=（10.7×a1.852×l）/c1.852×d4.87
式中l——管段长度（m）
d——管径（m）
Q——流量m3/s
c——系数（海普-威廉式的c值查表5-3《给水设计》）
回灌干管水利计算表
5-3
管段
长度（m）
流量（lm/s）
计算管径（mm）
选取管径（mm）
水头损失
备注
10-8
140
139
384
400
0.41
8-7
40
119.14
356
400
0.09
7-6
40
99.28
325
400/350
0.063
6-4
80
79.42
291
350
0.159
4-3
50
59.56
251
350/300
0.058
3-2
50
39.7
205
300
0.058
2-1
40
19.84
145
300
0.013
合计：
∑hi=0.851m
由表5-3可以看出，回灌干管各节点的水头损失均小于0.05大气压，总水头损失小于0.1个大气压，满足无压回灌要求。
因为回灌干管各节点分出支管回灌，且规定每个节点的回灌量q=19.86lm/s,根据公式（5-15）可求出支管管径为D支=145mm,取D支=150mm
根据赤峰地区地质条件和地下水情况，以及会展中心负荷需求状况，确定打取水井3口，最大取水量550t/h，回灌井6口，备用井1口。
（二）地源热泵系统设计原则
a、最大限度的利用地下水中的能量。
在保证空调系统需要的前提下，尽可能的减少地下水的使用量。
从单位水量中提取更多的热能，减少提取水时的相对电能消耗，以最低的投入，获取更多的热能，增加空调系统的整体效益。
b、充分协调由于季节、空调日空调外负荷随环境温度变化而引起的水源热泵机组负荷特性及井水需求变化，保证机组在最佳工况点工作，相对保证井水供应随整个空调系统需水量需求变换而变化，减少无必要的井水供应浪费和电能消耗。
c、避免由于供水井始终大流量无间断抽取地下水引起的地下水变化。
保证充足的采暖及空调用水，提高水井的使用寿命。
d、优化辅助设备，增强空调系统的整体工作协调，保证系统最佳运行状态，降低运行费用。
e、尽量减少一次性投资，降低运行费用，真正达到节能目的。
（三）冬季水源热泵系统方案
冬季地下水用于会展中心水源热泵采暖系统。
地下水经过变频控制的深井潜水泵提取后送入机房内的全程水处理装置，完成井水的除砂、过滤、水质处理。
因井水硬度较大，为保护制冷机组的换热器，采用间接连接。
在井水与制冷机组之间设置三台板式换热器。
换热温差为2.5℃。
系统提取地下水温差为4℃，地下水温为9℃，经板式换热器换热后水温为5℃。
二次侧的供回水温度为7/2℃。
为防止水在蒸发器内冻结，冬季运行时二次侧使用25％的乙二醇溶液。
地下一层设置集中的热泵机房，共设置三台水源热泵冷水机组。
夏季制冷，向系统提供55/45℃的热水，单台制热量为1170kW。
初寒期或当会展中心处于值班采暖状态时,关闭1-2台热泵机组及1-2台取水井潜水泵。
（四）夏季地下水直接利用方案
夏季采用地下水直接利用方案。
由于会展中心夏季利用热泵制冷系统使用冷敷和不是很大，而且地下水温为9℃，可以采用直接向系统提供地下水，不经过热泵主机，而达到理想的制冷效果。
末端风机盘管和空气处理机组采用干工况运行。
新风系统设除湿设备，承担室内湿负荷。
方案中采暖、空调循环水补水系统：
采暖、空调水处理采用控制定压自动补水装置，保证系统稳定提供软化的空调水补水。
四、效益分析
节能分析
机房运行费用分析
（一）、运行费用:
（取暖期180天/年,制冷期90天/年,峰谷平均电费0.5元/kwh，考虑
是展厅、会议厅负荷系数取0.40）
1冬季取暖费用
（1）BGSRB－1mw×6台BGSRB－0.4mw×1台水源热泵机组运行费用:
1350KW×0.4×180天×14小时/天×0.5元/度=140595元/年
（2）循环水泵运行费用:
75KW×2×0.4×180天×14小时/天×0.5元/度=75600元/年
（3）末端系统运行费用
50KW×2×0.4×180天×14小时/天×0.5元/度=50400元/年
（4）井泵运行费用
30KW×14×0.4×180天×14小时/天×0.5元/度=211680元/年
合计:
冬季取暖费用（满负荷）478275元/年
冬季采暖平均运行费用=478275元÷41154㎡=11.62元/㎡
2夏季制冷空调费用（2/3时间可直接利用地下冷源负荷系数可取0.2）
（1）BGSRB－1mw×6台水源热泵机组运行费用:
1260KW×0.2×90天×10小时/天×0.5元/度=113400元/年
（2）循环水泵运行费用:
75KW×2×0.2×90天×10小时/天×0.5元/度=13500元/年
（3）末端系统运行费用：
50KW×2×0.2×90天×10小时/天×0.5元/度=9000元/年
（4）井泵运行费用：
30KW×2×0.2×90天×10小时/天×0.5元/度=5400元/年
合计:
夏季空调费用（满负荷）141300元/年
夏季空调平均运行费用=141300元÷41154㎡=3.43元/㎡
冬季采暖加夏季空调全年平均单位面积运行费用:
15.05元/㎡
环境影响分析
本项目中主要依靠可再生能源来满足建筑物的冷暖和热水需求，大量节省了电能和化石燃料的使用，减少了废热废水和温室气体排放，减缓了城市热岛效应，节省了宝贵的水资源，具有极好的环境保护作用，使本项目真正成为生态、环保、绿色、与自然和谐的可持续发展建筑。
风险分析
1、技术风险
项目采用的地下水源热泵系统中的技术难点是地下水的抽取和回灌及地下水的污染。
多项新技术在项目中的应用，必将增加设计、建设、施工及运行管理的难度，使项目在建设及运营管理过程中存在一定的技术风险。
2、风险控制
地下水源热泵利用技术是一项在国际上被认可的，成熟的、可推广应
用的技术。
只要充分进行环境评估、充分进行设计方案论证，同时，在建设和施工过程中做好充分的准备工作及制定完善的运行管理制度，就可以保证该项目的顺利实施。
具体实施如下：
保证地下水实现完全回灌
（1）当地地下地质情况直接关系到水的回灌能力。
因此要求地质勘探部门严格把关。
（2）水井的成井工艺，要求严格把关，这直接影响到水资源是否浪费。
（3）严格进行地质勘探，确保回灌井的数量。
（4）严格进行抽水井和回灌井的成井工艺，尤其控制止水层的位置和厚度。
安装水表，记录抽、灌水量，加强对回灌井的监控，以确保抽取的水量完全回灌入地下。
（5）制定详细的水井运行管理章程，包括运行时段、单井开采量和回灌量统计、水井运行维护方法和计划等。
采用上述措施后，本地区的地下水的回灌没任何问题。
保证地下水资源不受污染
地下水源热泵采暖系统采用“抽灌”循环封闭方式，整个系统不消耗地下水资源，因此本项目水资源保护重点应该为水质保护。
针对本建设项目用水过程，为保护地下水资源不受污染，我们采取的方法：
（1）洗井方法，采用活拉塞、空压机等物理方法，严禁用含有污染元素的化学洗井。
（2）对水源井井口封闭，井周围禁止有污水管道和明渠通过，以防地下水体二次污染。
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