方案书--地源热泵系统.doc
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目录
一、地源热泵推广 2
（一）水/地源热泵空调系统简介 2
（二）地源热泵机组特点 7
二、地源热泵机组设备选型 11
一、项目概况 11
二、设计依据 11
三、主要设计参数 11
1、冷热负荷的确定 12
2、热泵机组的确定 12
三、地埋管换热系统设计选型 13
1、地源热泵换热器最大换热负何的确定 13
2、地埋管换热器及管井的设计 14
3、土壤热平衡的分析：
16
四、地源热泵系统设计与安装 17
（一）地源热泵系统设计与安装关键 17
（二）室外地埋管换热系统的主要施工工序及注意的问题：
17
（三）室外垂直埋管系统主要施工工艺 19
五、地源热泵系统中央空调报价 21
一、地源热泵推广
（一）水/地源热泵空调系统简介
1、背景
环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题，如何在享受的同时付出最少的代价逐渐成为人类的共识，在这种背景下以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生。
尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向，开发利用天然的冷/热源能够为空调带来节能和环保双重效益，因而越来越受到人们的重视。
地下土壤层是一个巨大的天然热源，其热惰性极大，全年的温度波动很小，一般说来，地表50m以下可常年维持在该地区年平均温度左右，是一种理想的天然冷热源。
2、水/地源热泵简介
水/地源中央空调系统是一种从地下土壤/地下水中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热（冷）系统。
该系统是成熟的热泵技术、暖通空调技术配套地质勘察成井技术于一体，在相对稳定的土壤温度下高效、稳定、经济的运行。
地源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统、地源中央空调主机（又称为地源热泵）系统和地埋管或井水换热系统三部分组成。
为用户供热时，水/地源中央空调系统从土壤/地下水中提取低品位热能，通过电能驱动的地源中央空调主机（热泵）“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。
为用户供冷时，中央空调系统的冷凝热量通过地源中央空调主机（制冷）转移到土壤/地下水中，以满足用户制冷需求。
水/地源热泵是利用了大地土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。
地表土壤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，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和地下水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。
这使得利用储存于其中的似乎无限的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的一种有效途径。
3、地源热泵中央空调系统的工作原理图
4、地源热泵特点
环保洁净
1.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。
2.以地表土壤为源体，向其吸收或放出能量，介质水在埋设于土壤中的密闭系统中循环，即不消耗地下水资源，也不会对其造成污染。
3.省去了锅炉房供暖系统和夏季空调运行的冷却塔。
节能经济
能源利润率为传统方式的3—4倍，投入1KW的电能可得到4—5KW以上的制冷或供热的能量。
灵活安全
²真正做到“一机两用”。
利用地下土壤热能，热泵冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，提高了设备的利用率。
²机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。
系统末端亦可作多种选择。
²无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。
²机组运行自动化程度高，无需专业人员操控。
运行可靠
机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响（土壤恒温）。
即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。
地源热泵的优点分析
◇高效供热系数可高达4.3（正常为3.5-4.5），即输入1KW电能可产生4KW的热量。
◇运行费用低比燃煤采暖还便宜，因为利用地下土壤、岩层、地下水、江河湖海中的热能占总热量的70-75%。
就是说，机组在制热过程中，有70-75%的燃料是不用花钱的。
每平方米建筑面积供暖运行费只有11.37元，若按22元/m2收费标准计算，1万平方米的建筑，一个采暖期可节省采暖费10万元左右。
◇无任何污染由于该机组在制热过程中无任何燃烧。
１万平方米的建筑物一个采暖期，即可节煤350吨，可减少烟气排放量385万立方米。
◇占地面积小地源热泵机组占地面积为锅炉用地的1/10-1/15。
以一个10万平方米
小区为例，机房面积仅100平方米就足够用，而建锅炉房则需占地至少1000平方米。
对3.5万平方米以上的小区，可省出一栋楼的位置，可建2000－5000平方米的住宅，其剩余价值足够安装使用地源热泵供暖系统的费用。
5、地源热泵中央空调的应用前景
1）.本项目是一种利用低位能源（空气、土地、水、太阳能、工业废热等）代替高位能源（煤、石油、电能等）以实现节能目的的高新技术。
由于其所具备的高热能转换效率（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、环保组织和发达国家推崇，并被市场广泛接受。
自八十年代以来，年增长率一直保持在20%以上。
如美国，85年只有14000台水/地源热泵，99年末统计，已安装了400000台。
水/地源热泵系统已占空调总保有量的20%，其中新建筑中占30%。
由此可降低温室气体1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放，年节约能源费用达4.2亿美元。
美国的水/地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/地源热泵在新建房屋中的利用率，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
2）.在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。
中国经济在保持较高速度增长的同时,必须考虑环保和可持续发展问题。
所以要求提高能源利用率，要求能源结构调整。
调整能源结构的方向就是从以煤为主转为以燃气、电为主。
国家建设部1999年提出在10年内建筑节能效率要在现有基础上提高50%；北京市政府已明令在四环以内，撤掉所有燃煤锅炉，在三年内改造1000万平方米建筑取暖方式，使用清洁能源。
我国目前集中供暖单位建筑面积平均能耗是气候相近发达国家的2-3倍。
3）.据调查统计，我国住宅空调安装率迅速增长。
上海居民住宅空调拥有率已超过60%，北京34%，城镇居民拥有率20%，空调成为冰箱、彩电后普及的又一种主要家电。
这样，对于黄河、长江中下游地区的城市，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的综合性问题。
为此，采用具有诸多优势的地源热泵方式将成为这种需求最具竞争力的建筑供热空调方式。
6、政府支持
地源热泵空调系统在北美和欧洲取得了迅速发展。
瑞士96%新居民住宅和50%新建筑都安装了地源热泵系统。
在加拿大、意大利、奥地利、瑞典，地源热泵系统都有广泛的应用。
热泵系统可以运行30年到50年不出问题。
到目前为止，美国的热泵已经成功运行了50年，而且还在继续运转。
意大利、瑞士都用了30年也没出问题。
由此可见，地源热泵中央空调应用技术十分成熟，节能、环保效益显著。
因此，我国政府对此给予高度的重视和政策支持：
国发〔2007〕17号国务院关于印发中国应对气候变化国家方案的通知：
“积极推进地热能和海洋能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术，研究开发深层地热发电技术；在浙江、福建和广东等地发展潮汐发电，研究利用波浪能等其他海洋能发电技术。
”
建设部贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》加快创新能力建设促进建设事业又好又快发展：
“积极推进“可再生能源在建筑中推广应用项目”的实施，开展太阳能光热、光电、地源热泵和水源热泵规模化应用的城市级示范，带动具有自主知识产权的相关技术集成与开发及相关产业的发展。
”
北京市“十一五”时期能源发展及节能规划
“积极推广热泵、分布式能源等新技术供热，实现可再生能源供热面积4000万平方米，约占全市总供热面积的6%，其中地热采暖500万平米、地源热泵采暖3500万平方米。
”
同时，北京市政府为了支持鼓励应用地源热泵采暖技术，制定了相应的奖励政策：
（京发改〔2006〕839号）关于发展热泵系统的指导意见：
“按照我市能源发展战略、城市供热发展规划和合理开发、利用、保护资源的原则，优先发展再生水源热泵，积极发展地源热泵，适度发展地下（表）水源热泵，逐步提高热泵系统在城市供暖中所占比例。
供热制冷系统选用热泵系统的，根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为：
地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。
”
7、结束语
地源热泵采暖技术在发达国家已经有了几十年成功应用的历史，我国引进并成功应用此项技术也有二十多年的历史。
近几年，随着我国经济的不断发展，能源需求以及环境保护的要求越来越多地引起社会的广泛关注以及政府的高度重视。
节能减排已经成为我国政府促进经济发展的核心问题。
据统计，我国建筑能耗占全社会终端能耗的21%，因此建筑节能具有巨大的节能潜力。
而地源热泵中央空调采暖技术作为高效节能的成熟技术在建筑节能领域有着举足轻重的地位。
到目前为止，北京市已经有500万平方米的建筑采用了地源热泵中央空调采暖，距北京市“十一五”时期能源发展及节能规划中要求的3500万平方米的目标还有很大的差距。
因此地源热泵中央空调采暖技术的推广应用有着广阔的市场前景。
（二）地源热泵机组特点
本项目用螺杆式高效地源热泵机组特点
1.1优化设计：
l完全遵照国际标准，结合中国国情设计，结构紧凑，占地小，安装简便。
l冷媒系统的设计采用独立的模块化思想，系统部件数量少而品质精良。
l能效比高。
冬季制热工况，能效系数COP值（供热量与输入功率的比值）约为4.0—4.6之间；夏季制冷工况，能效系数COP值（制冷量与输入功率的比值）约为5.5—7.2之间。
l计算机辅助最优设计，保证机组在任何工况下均处于最佳运行状态。
l机组具有压缩机排气超温、电机超温、冷水防冻温度保护；过电流、缺相、逆相、过载电气保护；冷媒系统高低压、油位、油压差、断水异常状态保护等多重保护功能。
1.2选料精良：
A、压缩机：
l压缩机选用进口品牌螺杆压缩机。
具有特殊高效的制冷能力和COP值以及更长的运行寿命。
单台压缩机累计运行时间不低于60000小时。
采用经多年验证的高质量材料和零件，结构可靠耐用；并且安全保护功能完备。
l使用R22制冷剂。
B、壳管换热器：
壳管换热器是XX与国内著名专业配套厂商（上海环球）共同开发研制，专门为XXSGHP水源中央空调机组特殊设计生产。
其特点是：
l换热器换热效率高（换热效率比同类产品高20~30%），能适应恶劣的水路环境，便于拆洗维护。
l制冷剂侧和水侧阻力损失小，结构紧凑，筒体采用优质钢板卷筒焊接而成，承压能力高，气密性好，运行安全可靠、高效。
l蒸发器、冷凝器、管路等外包软质闭孔橡塑绝热保温材料，有效地防止了蒸发器和机房外界空气的传热，降低了能量损耗。
C、制冷管路配件
制冷配件选用世界著名制冷配件厂商生产的产品，性能稳定，可靠性高。
（1）制冷管路配件
l使用范围广，安装方便快速。
l管道与感温包之间传热良好、热平衡冲注，功能稳定，结构紧凑。
l钎焊焊接接口：
一体式热力执行元件、最佳密封效果。
l激光焊接的不锈钢感温元件：
保证最佳调节功能、动作迅速、膜片寿命长、耐压强度高、耐腐蚀。
l双平衡阀口设计，宽广的负荷为蒸发温度，冷凝温度范围提供准确可靠的控制，特别适合夏季制冷、冬季制热的水源中央空调
（2）干燥过滤器
干燥过滤器选用高效过滤芯，对系统内的水分和酸性物质具有极强的吸收能力，保证整个系统安全、可靠的运行。
视镜—准确的水分显示，采用玻璃整体焊接，不存在泄露问题指示剂对水和酸性物质具有抗腐蚀性，因此使用寿命长，压力损失小。
（3）电磁阀
l阀体结构紧凑，体积小。
l直接导通，动作快捷，无须外力引导。
l工作压力范围广，制冷剂经过该阀时压力损失小。
l性能可靠，使用寿命长。
1.3先进的机组控制技术与网络功能：
水地源热泵机组电控部分主要部件均来自国际名牌供应商，性能稳定，可靠性高。
例如：
接触器为法国施耐德，母线式刀熔开关为德国维那尔鑫宝，接线端子为德国凤凰端子。
机组的核心控制部分为我公司与意大利CAREL公司联合开发的水源热泵专用控制器，其中硬件部分使用CAREL公司成熟的PCO系列微电脑控制器，结合我公司自己开发的水地源热泵专用控制程序使机组在智能化和网络化方面优于其它同类机组。
本控制器主要具有以下特点：
1）先进的输入输出口管理。
控制器具有8路模拟量，12路开关量输入；13路开关量，2路模拟量输出。
可检测和控制机组的各种工作状态。
2）完善的信息显示。
控制器采用LCD液晶显示屏，可以显示每台机组的工作状态、测量参数、报警信息、维护信息以及各种内置参数的设定等。
全部显示均为文字信息，清晰直观。
3）灵活方便的参数设置。
控制器具有八十多个可以改变的内置参数，通过这些参数的设定可随时调整机组的工作状态，以使机组更加适应用户的现场需要。
4）先进的口令操作管理。
控制器具有三级口令操作，针对不同的对象限定了不同的操作权限，以确保机组不会因误操作而损坏。
5）可方便的升级为网络控制管理。
当有多台机组时，利用控制器的网络管理功能可以方便的构成一个局域网系统。
使整个系统可以由一个或几个手操器控制，从而使多机系统具有了轮值，备份及远程控制等先进功能。
还可以连接网络打印机随时记录各种所需信息。
6）可简便的接入小区智能监控系统（BMS）。
通过控制器的网络功能可以组成集中控制和远程控制系统，实时监视设备的运行状态。
这些设备可以是本地的也可以是异地的（通过调制解调器和公共电话交换网）。
通过相应的附件可以将这些数据转换为与大多数的楼宇控制系统相兼容，从而可方便的接入楼宇控制系统。
1.4机组寿命：
由于XX水地源热泵机组的合理的优化设计，精良选料，以及先进的控制技术，完善的电脑控制和多重保护，使得整机运行安全可靠。
使用寿命可达15年以上。
二、地源热泵机组设备选型
一、项目概况
1、项目概况：
本工程为河南省三门峡地区某服务区水源热泵工程需求空调的建筑面积约为4605.46㎡，分为东区与西区。
其中，西区包含服务区的综合楼，建筑面积约为1517.58㎡；东区包含服务区的综合楼和宿舍楼，建筑面积约为3087.88㎡（其中综合楼的建筑面积约为1517.58㎡，宿舍楼的建筑面积约为1570.3㎡）。
要求实现夏季供冷、冬季采暖的需求。
2、总体设计思路：
采用浅层土壤冷热源，经过地源热泵提取土壤中能量，解决建筑制冷制热。
二、设计依据
1、《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003
2、《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003
3、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95
4、《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
5、《地源热泵工程技术规范》GB50366－2005
6、《供水管井技术规范》GB50296-99
7、《地源热泵冷热源机房设计与施工》06R115
三、主要设计参数
室外设计参数
1、夏季室外计算干球温度：
-33.4℃；
2、夏季室外计算湿球温度：
-26.9℃；
3、冬季室外计算干球温度：
-11℃；
4、大气压力：
冬季，102.66kpa；夏季100.48kpa；
1、冷热负荷的确定
该建筑总空调面积约4605.46m²，根据本地区的气候特点，参考暖通空调设计手册中对不同建筑类型冷热负荷所要求的建筑负荷指标，负荷计算如下表：
河南省三门峡地区某服务区地源热泵工程
序号
区域
房间名称
面积（m²）
所需平均冷量w/m2
所需区域冷量W
主机设备型号
主机数量（台）
实配主机总冷量w
实配主机平均冷量w/m2
主机匹数（HP）
1
西区
综合楼
1517.58
200.00
303516.00
EKWD043CRSD
4
612000
132.89
244.8
2
东区
综合楼
1517.58
200.00
303516.00
3
宿舍楼
1570.30
180.00
282654.00
4
合计
4605.46
4
612000
132.89
244.8
经众多工程案例经验总结，考虑建筑房间的同时需求冷量为133W/M²，
即：
4605.46M²*133W/M²=612000W=612KW
根据样本手册确定设计供冷总负荷为612KW，设计供热总负荷为636kW。
2、热泵机组的确定
结合空调总冷负荷612kW，总热负荷636kW，本建筑体的使用特性为同时空调使用率低的特点及广东欧科空调地源热泵机组特点，考虑选用4台EKWD043CRSD水地源热泵机组对该建筑物提供冷暖。
三、地埋管换热系统设计选型
1、地源热泵换热器最大换热负何的确定
热泵机组的制热量或制冷量与所耗功率之比称为能效比，即COP值，它是表示制热效率或制冷效率的能耗指标。
水源热泵机组的COP则可达到5.0-7.0左右，制热达到4.2以上。
整个系统的运行能效达到制冷4.0以上，制热3.6左右.
◆制冷工况：
夏季，需要的冷负荷为612kW，计算夏季向土壤中排放的最大散热量为：
式中
——夏季向土壤中排放的最大热负荷量，单位：
kW；
——空调冷负荷，单位：
kW；
COP——能效比，取4
所以，夏季散热的热量为：
＝612×（1+1/4）=765（kW）
◆制热工况：
冬季，需要的热负荷为636kW，计算埋管的实际最大吸热需求量为：
式中
——冬季从土壤中吸取的最大热负荷量，单位：
kW；
——空调热负荷，单位：
kW；
COP——能效比，取3.6。
所以，冬季地表水需要量为：
＝636×（1-1/3.6）=458（kW）
从计算结果可看出单位时间内与土壤的最大换热量出现在夏季，为458kW。
2、地埋管换热器及管井的设计
地源热泵系统的设计中，室外地埋管的计算是关键环节，本工程采用垂直地埋管。
垂直地埋管换热器计算的基础是单个钻孔的传热分析。
在多个钻孔的情况下，可在单孔的基础上运用叠加原理加以扩展。
结合多年的地源热泵设计施工经验，土壤换热器形式设定如下：
l土壤耦合器采用单U形埋管，钻孔直径为￠110－150mm；
l考虑井之间相互热干扰，埋管间距最好为4m；
l水平管连接方式为管井分集水器连接,水平埋深不小于1.2米；
l钻孔深度，根据整个南通地区的地质情况暂定埋管深度100米，可根据实际钻孔情况调整；
地耦换热器计算：
计算埋管管长
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。
根据我们已掌握的镇江地区的地质资料和实际工程经验，利用管材“换热能力”来校核管长。
30
1000
1
´
¢
=
Q
L
根据我们的实际工程经验，每米管的换热能力值范围在30W/m——50W/m（管长），本项目设计取每米管的换热能力值，即30W/m（管长），具体计算公式如下：
其中——竖井埋管总长，m
——夏季向土壤排放的热量，kW
分母“30”是夏季每m管长散热量，W/m
总埋管量：
＝612×1000/30=20400m
确定竖井数目及间距
竖井深度多数采用70～100m，我们参考河南地区的地质资料，选择该地区竖井打100米较为合理。
根据下式计算竖井数目:
其中——竖井总数，个
——竖井埋管总长，m
——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。
计算结果：
N＝20400/2/100=102
根据工程经验，由于冬夏季地下排热和吸热的不均衡性，为尽量减少对地下环境的影响，我们增加1.1倍的埋管量来增大换热效果。
增加后的埋管数量：
102×1.1=112（个）
实际埋管数量取值112个孔。
土壤耦合器材料选择：
考虑到土壤换热器是地源热泵系统深埋于地下的关键换热设备,其性能对系统性能和寿命影响明显，本方案设计采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小、热膨胀性好的高密度聚乙烯（HDPE100），耐压1.2Mpa的SDR11管作为埋管材料。
因此，根据以上计算，可知地埋系统的设计满足系统要求。
但埋管量占地较为庞大，建议夏季部分负荷采用冷却塔散热，这样可以减少埋管量，同时可有效的解决冬夏季土壤热不平衡问题。
但也非需要，可以在后面的分析中确定是否需要冷却塔，如果冬夏运行的吸排热差达到30%以上，就可以考虑加冷却塔进土壤的热平衡。
特别需要注意的是，地源热泵需要充分了解可能发生的地下热平衡的失衡问题。
3、土壤热平衡的分析：
如果冬夏季运行土壤吸排热差达到30%以上建议夏季部分负荷采用冷却塔散热，这样可以减少埋管量，同时可有效的解决冬夏季土壤热不平衡问题。
分析条件，根据地区气候特性，上海地区夏季供冷周期为90天，冬季供周期为120天。
夏季每天运行时间按8小时，冬季每天运行8小时计。
则：
年度夏季最大排热量：
612×90×8=440640kW
年度冬季最大吸热量：
636×100×8=508800kW
根据前面所计算的最大吸放热负荷差，百分比情况：
81216/63168=0.866kw
结论：
以上分析结果显示需要设置冷却塔，解决冬夏季土壤热不平衡问题。
如果有生活热水需求，工程上还可以用来夏季热回收生活热水来进行土壤的热平衡。
四、地源热泵系统设计与安装
（一）地源热泵系统设计与安装关键
现场勘查：
决定采用地源热泵系统后的现场勘查，除了进行场地调查以外，关键是钻勘探孔采集土壤热参数。
土壤热参数主要包括土壤的导热系数、土壤温度以及随深度和季节变化的规律等，目前由于国内缺少这方面的研究，相关技术还不成熟，因此限制了地源热泵的应用和开发。
系统设计：
地源热泵换热器中的循环介质与大地之间的换热情况相当复杂，因此该系统的设计难点主要是换热器的设计。
埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等是系统设计和施工中应该重点考虑的因素。
关键点：
U型管热交换器的管径一般在50mm以下，埋深可达200m以上，主要用于埋管面积较小的地区。
U型管的水平间距有资料指出一般为4.5m，目前也有6m的实例，实际上其间距应与埋管深度、回路形式、管径以及系统使用状况有关。
系统安装：
垂直埋管的施工主要包括钻孔、换热器安装、试压和回填，其中任何一个步骤都极为关键，因此，应该由有资质和经验的施工队伍来完成。
（二）室外地埋管换热系统的主要施工工序及注意的问题：
1、室外地埋管换热系统的主要施工工序
孔位放样→钻孔→U型换热器的组装、试压→U型换热器的下放→U型换热器的二次试压、保压→注浆→U型换热器冲洗→开挖环路集管沟槽→抄平沟槽、回填沙子→环路集管的制作、安装→第三次试压→回填沙子及原土并夯实→第四次试压。
2、孔位放样：
采用钢卷尺按照室外孔位图纸进行平面定位，放出各孔位做好标记及控制点。
采用水准仪测出各孔位的地面高程，
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