最新版中铁建办公楼地源热泵系统项目可研报告.docx
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最新版中铁建办公楼地源热泵系统项目可研报告
中铁建办公楼地源热泵系统
可行性研究报告
0研究报告概要4
第一章项目综述11
1.2项目概况11
1.3计算依据12
1.4建筑资料12
第二章建筑的冷热负荷14
2.1室外设计计算参数14
2.2室内设计计算参数15
2.3建筑负荷估算15
2.4主要设备容量的选择16
第三章地源热泵空调技术的适宜性19
3.1地源热泵空调系统简介19
3.2地源热泵在本项目中应用的适宜性22
3.2.1地质条件22
3.2.2气候条件22
3.2.3建筑负荷特性23
3.2.4地埋管所需空间23
3.2.5地源热泵系统的冷热平衡24
3.3地源热泵空调全寿命周期技术经济分析26
3.3.1与常用空调系统的运行费用比较26
3.3.2与常用空调系统的初投资比较27
3.3.3与常规空调全寿命周期的回收期分析28
3.3.4与常规空调全寿命周期的技术分析29
第四章地源热泵系统埋管工程技术方案30
4.1土壤热工实验30
4.1.1概述30
4.1.2单位孔深地埋管的换热量与建议30
4.2方案设计35
4.2.1土壤换热系统换热量计算35
4.2.2土壤换热系统的设计35
第五章室内空调末端系统39
5.1中央空调末端形式及原理39
5.2地源热泵系统室内末端设备的选择与比较39
第六章地源热泵监测与控制系统43
6.1地源热泵监控系统的主要功能43
6.2地源热泵自动控制系统45
6.3运行维护48
第七章技术支持50
0研究报告概要
一、三种方案及其比较
中铁建A座办公楼可能备选的采暖制冷方案有如下三种：
1.集中式地埋管地源热泵系统
2.冷水机组与锅炉配套
3.冷水机组与城市热网配套
以上三种可备选的方案技术经济比较详见表0.1-0.3。
表0.1冷热源系统技术性比较
冷热源方式
及序号
项目
方案一
方案二
方案三
地源热泵
冷水机组与
燃气锅炉配套
冷水机组与
城市热网配套
优点
性能系数高、节能；减少CO2排放，环保；无室外机，换热器地下敷设，且冷暖兼用、节省建筑面积；控制灵活方便能分区分段或按房间供冷暖，可靠性高
技术成熟，初投资少，运行可靠，需要锅炉房和冷却塔
利用低温水供热是比较传统的空调冷热源方式，技术成熟，应用广泛设备运行可靠性高。
缺点
需要地下埋管空间，地下埋管性能比较复杂
能源利用率低，且排放大量CO2
噪声和振动较大，设备宜布置在地下机房，需做好消声、减震措施
表0.2冷热源系统初投资比较
冷热源方式
及序号
项目
方案一
方案二
方案三
地源热泵
冷水机组与
燃气锅炉配套
冷水机组与
城市热网配套
冷热水机组（元/kW冷量）
800
500
500
燃气锅炉（元/kW热量）
300
城市热网（元/m2采暖面积）
100
冷却塔（元/kW冷量）
无
60
地下钻孔及埋管（元/kW）
1500
无
机房水泵、管道、控制
基本相同（按40元/m2）
建筑物空调末端
基本相同（按110元/m2）
初投资概算比较（冷指标72.6W/m2）
初投资（元/m2）
330
267
254
比例
1
0.8
0.77
表0.3冷热源系统运行费用比较
冷热源方式
及序号
项目
方案一
方案二
方案三
地源热泵
冷水机组与
燃气锅炉配套
冷水机组与
城市热网配套
季节
夏季
冬季
夏季
冬季
夏季
冬季
能源形式
电
电
天然气
电
供热网
单位
m3
/m2季
价格（元）
0．55
0.55
3.4
0.55
24.5
负荷累计kW.h
效率
5.5
4
5
0.9
5
1
燃料费用
266396.6
420916.4
304036.3
304036.3
单位燃料费用（元/m2.）
6.42
9.78
7.06
29.62
7.06
24.5
机房运行费用（元/m2.季）
4.5元/m2.两季
冷却塔运行费用（元/m2.季）
无
2元/m2.季
全年运行费合计（元/m2）
20.7
43.18
38.06
费用比例
1
2.08
1．84
综上所述:
方案1：
用地源热泵有较好的节能效果，初投资较高但运行费用低；
方案2：
用锅炉房污染严重，运行简单技术成熟，初投资费用不高但运行费用很高；
方案3：
用冷却塔和市政热力管网，初投资费用较低，运行费用也不高，但节能效果不明显。
二、方案的确定
该办公楼采用集中式热泵机组和集中设置地埋管地热换热器相结合的采暖空调形式,可行、可靠、高效。
可行性分析
1.当地气象条件及地质构造
济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。
其特点是季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季气温低，但无严寒。
年平均气温14.3℃，极端气温最高40.5℃，最低零下14.9℃。
从地埋管热泵的工作原理可知该系统在冬冷夏热的地区（即全年冷热负荷较为均衡的建筑物）可以充分发挥大地储能的作用，具有较高的运行效率。
因此该项目具备地源热泵空调技术应用的基本气候条件。
2.建筑物对空调的需求
该工程为高档住办公楼，对室内空调要求较高，不仅需要冬季供热，而且夏季需要供冷。
如果采用传统的水冷机组加城市热网系统，则需要两套设备，不仅增加运行费用，同时从环境保护方面看，城市集中供热系统消耗大量的一次能源，排放的有害气体则对大气环境造成污染。
而冷水机组则是在制冷时将室内的热量以废热形式排放到室外大气中，该系统的性能随室外空气温度升高而显著降低，机组制冷性能及效率较低，耗能较高。
同时排放到环境中的废热无疑更加剧了夏季城市热岛效应。
3.地源热泵系统的冷热平衡
由负荷计算结果知，全年冬季耗热量远大于全年夏季耗冷量，耗埋管全年冷热量不平衡率为13%。
图1为地源热泵系统运行20年期间的循环液进出热泵的月平均温度变化曲线。
由图1可以看出，在运行一个采暖与空调周期后地下岩土温度变化幅度很小，但由于地埋管的年取热量略微大于年释热量，所以地下的温度变化总体上呈缓慢下降的趋势。
取距离周边钻孔10m远处的岩土温度作为钻孔群所处位置的岩土参考温度。
由图1还可以看出，经过20年的模拟运行之后，距离钻孔10m远处的平均岩土温度仅仅比初始温度的16℃降低了约1℃。
这说明地埋管在一年的运行周期内，向地下的散热量与从地下的取热量基本保持平衡，地下岩土温度在一个采暖与空调周期后基本回复到初始温度，这就保证了系统的高效率运行。
值得注意的是，即使设计工况为理想工况，即地下岩土的取热与散热在一个周期内达到平衡，但在实际运行中，地下岩土的年吸、释热量并非要求绝对的平衡，模拟设计结果表明不平衡率在±20%以内是可以接受的。
当然，这种允许的不平衡率会随着不同地区和岩土的热物性、地埋管换热器所在地点有无地下水流动及其流动特点，以及建筑物的冷热负荷变化等因素有关，是因地而异的。
如果整个地埋管区域存在缓慢的地下水的渗透流动，则对地温的恢复有积极的影响。
可以通过埋地的温度传感器来监测地温变化情况，据此进行运行调节。
图1系统运行20年的月温度变化模拟曲线
由于系统的不平衡率比较小，可以通过以下方法来缓解冷热不平衡。
（1）采取分户热计量，提高冬季采暖行为节能的自觉性，提高能源利用率，降低冬季负荷；
（2）适当增加夏季空调运行时间。
（3）适当提高夏季热泵机组冷却水的进出水温度，增大释热量。
（4）增大埋管间距，降低埋管间的热干扰，增大蓄热体。
（5）间歇运行，有利于地温的恢复
4.建筑中利用可再生能源符合国家建筑节能政策
建筑中应用可再生能源，利国、利民、利己。
在建筑中应用地源热泵系统，对于后期申报绿色建筑，申请政府补贴，创造了先决条件；对于提升项目档次、品味，实现长期高效、节能运行奠定了重要的物质基础。
三、结论
由于该地区附近无热电厂和区域锅炉房，根据各方案的技术可行性与经济比较，拟选用方案1，地源热泵系统既符合当前国家的节能减排的方针政策，运行费用也较低，当然每个方案都不是完美的，地源热泵的初投资较高，但要考虑长期运行费用和长远的利益，故拟选用方案1，方案2是比较常用的空调系统，运行费用也不高，可作为备选方案。
第一章项目综述
1.1气象地理条件
本项目位于济南市。
济南属于北温带季风型大陆性气候,四季变化和季风进退都较明显。
与同纬度的内陆地区相比,具有雨水丰富、年温适中、气候温和的特点。
1.2项目概况
中铁建办公楼位于济南市历城区奥体西路西侧，南邻经十路，规划总用地为41501.5㎡。
本工程为高档办公楼，主体建筑分主楼和裙楼主楼楼层为26层，裙楼为3层，地下二层。
建筑面积为40355㎡，主楼部分36975㎡，裙房部分5680㎡，机房其他400㎡。
该办公楼的冷负荷为4520.775KW，热负荷为3229.125KW。
图1为建筑平面布置图。
图1中铁建集团办公楼平面图
1.3计算依据
1、《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003
4、《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力》
5、《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》
14、《中华人民共和国节约能源法》
15、《中华人民共和国可再生能源法》
1.4建筑资料
各个围护结构的热物性参数如下：
（1）外墙：
建筑外墙为200厚加气混凝土砌块墙,管井局部100厚，填充墙为加气砼砌块，采用粘贴40厚挤塑型聚苯板外保温，传热系数为0.345W/㎡·K。
女儿墙、阳台、外挑构件、管道穿墙采用25厚聚苯颗粒保温砂浆保温。
（2）隔墙：
采用20厚胶粉聚苯颗粒保温层，导热系数为1.368W/㎡·K。
（3）窗户：
外窗采用铝合金隔热断桥中空玻璃窗（Low-E玻璃或普通玻璃），以提高建筑物的整体节能效果。
传热系数为2.70W/㎡·K。
（4）屋面：
采用粘贴100厚挤塑型聚苯板外保温，传热系数为0.427W/㎡·K。
（5）户门：
采用保温防盗安全门，传热系数为2.00W/㎡·K。
（6）门窗建筑物理性能
1）抗风压性能:
4级p3≥2.5kpa；
2）空气渗透性能（气密性）:
4级q1≤1.5m3/m.h；
3）雨水渗漏性能（水密性）:
5级p≥500pa
4）保温性能:
空气层厚度:
6mm,k≤2.79
5）隔声性能:
3级Rw>30dB
第二章建筑的冷热负荷
2.1室外设计计算参数
济南市纬度37°,经度116°98′。
冬夏季各气象参数如下：
•夏季室外计算干球温度34.8℃
•夏季室外计算湿球温度31.3℃
•夏季大气压力99850Pa
•最热月室外计算平均湿度73%
•夏季室外平均风速2.80m/s
•冬季室外采暖计算温度-7℃
•冬季室外空调计算温度-10℃
•冬季室外相对湿度54％
•冬季大气压力102020Pa
•冬季室外平均风速3.20m
济南地区典型年的室外日平均温度，极值温度变化曲线见图2.1（数据来自建筑负荷计算软件Dest数据库）。
图2.1济南全年室外日平均温度、极值温度变化曲线
2.2室内设计计算参数
表2.1室内设计参数
房间名称
温度℃
相对湿度%
新风量
m3/（h·人）
夏季
冬季
夏季
冬季
客房
24~27
18~22
65
40
50
会议室
24~27
18~22
65
40
30~50
贵宾休息室
26
22
65
40
30
服务室
25
22
65
40
20
办公室
23~26
20~22
65
40
35~50
多功能厅
24
22
65
30
25
公共建筑
房间类型
照明功率密度
f1（W/m2）
人均占有使用面积m2/人
电气功率密度
f2（W/m2）
办公建筑
普通办公室
11
4
20
高档办公室
18
8
13
设计室
18
8
13
会议室
11
2.5
5
走廊
5
50
0
其他
11
20
5
2.3建筑负荷估算
建筑的冷、热负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。
由于本工程现阶段只是对地源热泵空调系统方案进行可行性论证，所以仅对该工程的冷热负荷进行简单估算，详细的全年逐时动态负荷计算在方案确定后的设计报告中给出。
由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准《居住建筑节能设计标准》中的各项规定，节能可达到65%的要求，考虑一定的安全余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为75W/m2；冷负荷指标为105W/m2。
则该办公楼的设计热负荷为3229.125kW，冷负荷为4520.775kW。
冬季夏季运行天数分别按120天和90天计,对于办公楼来说冬季采暖空调系统每天运行时间取10小时；夏天制冷空调系统每天平均运行时间取8小时。
负荷指标在不同月份考虑一个不同的运行系数，则可粗略得到全年采暖与空调期累计建筑物、地下提取与释放的负荷。
估算中夏季热泵机组COP值按5.5计算，冬季COP值按4计算。
2.4主要设备容量的选择
（1）空调冷热负荷
建筑物的设计热负荷为3229.125kW，冷负荷为4520.775kW。
考虑到该办公楼的同时使用系数为0.9，则峰值热负荷为2906.2KW，峰值冷负荷为4068.7KW。
（2）冷、热源
配置三台地源热泵机组，每台机组制冷量为1578KW、制热量：
1725KW。
考虑到该办公楼的功用与特性，选用三台热泵机组，便于运行调节，有利于运行节能，降低运行费用。
夏季机组为制冷工况，提供冷冻水供、回水温度为7℃～12℃的冷水；冬季机组为供热工况、提供采暖用热水，供回水温度为：
40℃～45℃。
根据建筑物的冷热负荷初步估算热泵机组的容量。
主要设备的选型见表2.3.
表2.3主要的设备设计容量
主要设备选型
名称
规格
数量
备注
地源热泵冷热水机组（冷媒为134a）
制冷量：
1725KW；
制热量：
1578KW
3台
为制冷工况、提供供、回水温度为7℃～12℃的冷水；
为供热工况、提供供回水温度为：
40℃～45℃热水。
冷热水循环水泵
流量：
290m3/h
杨程：
28mH2O
4台
三用一备
地埋管侧循环水泵
流量：
420m3/h
杨程：
28mH2O
4台
三用一备
竖直地埋管
120m孔深，760个孔
91200m
不包括水平地埋管
及分集水器
（3）地埋管方案
地埋管初步设计钻孔深120m，钻孔760个，竖直总埋管量为91200m孔深。
根据地质及环境条件，确定采用竖埋管形式，钻孔孔径160mm，钻孔间距5m，单U形管，管径De32mm。
为使地埋管之间容易达到水力平衡，地埋管换热器布置结构采用同程和对称布置形式。
按照每个钻孔占地下面积25m2计，约需埋管面积19000m2。
第三章地源热泵空调技术的适宜性
3.1地源热泵空调系统简介
地源热泵是一种利用大地作为冷热源的热泵，通过热泵机组对建筑物实现供暖，空调及提供生活用热水，见图3.1。
地源热泵地上部分与普通热泵相同，所不同的是通过埋设在地下岩土中的地热换热器将热量释放给土壤或者从土壤中吸收热量。
从能量守恒的角度看，一个精心设计的地源热泵系统其实是以大地作为蓄能器，在夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地下，冷却建筑物的同时储存了热量，以备冬季使用；冬季通过热泵将大地中的低位热能提升温度后对建筑物供热，同时将建筑物内的冷量储存在地下，以备夏季使用。
该技术提高了空调系统全年的能源利用效率，真正实现了可再生能源的良性生态合理地利用。
图3.1地源热泵系统原理图
图3.2地源热泵空调系统流程图
地源热泵系统具有如下特点：
（1）节能、运行费用低
较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。
地源热泵可克服空气源热泵负荷需求越高，效率越低的技术障碍，显著提高效率。
高效率意味着消耗一次能源少，运行费用少。
（2）环保、洁净
地源热泵系统的运行没有燃烧，没有排烟，大大降低了城镇的大气污染；据调研，由于需输入的少量的电能维持热泵运转，地源热泵由此产生的污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少40％以上，比电供暖的减少70％以上；地源热泵系统供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染，以及对大气产生的热岛效应。
同时去掉冷却塔使建筑周边环境更加洁净、优美。
节水省地的地源热泵系统以地下浅层地热能资源为冷、热源，向其吸收或排出热量，从而达到供暖或制冷的作用，既不消耗水资源，也不会对其造成污染；地源热泵系统的地埋管可以直接布置在建筑物的地下空间中，不占使用面积。
（3）一机多用
地源热泵系统可供热、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统；机组紧凑，节省建筑空间，可以灵活安装在任何地方，末端亦可做多种选择；
（4）运行可靠
机组的运行情况稳定，几乎不受天气及环境、温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜、除霜之虑；自动化程度高，系统由电脑控制，能够根据室外气温和室内气温自动调节运行，运行管理可靠性高；无储煤、储油罐等卫生及火灾安全隐患；机组使用寿命长，主要零部件少，维护费用低，主机运行寿命可达到15年以上；机组自动控制程度高，可无人值守。
（5）应用范围广
地源热泵系统利用地球表面浅层的地热能资源作为冷热源，进行供暖、空调。
地表浅层的地热能资源量大面广，无处不在，是一种清洁的可再生能源。
随着人们对能源危机和环保问题严峻性的认识的提高，地源热泵技术在我国建筑空调系统中将会发挥越来越重要的作用。
3.2地源热泵在本项目中应用的适宜性
3.2.1地质条件
济南地区属岩石类水文地质构造地区,基岩硬度较大,要用专门的金刚石牙钻钻孔,钻孔难度较大。
但由于岩石层具有较高的导热系数，总钻孔量相应减少，总费用增加的幅度不会很大，因此该地区从地质条件分析可列为地源热泵应用的适宜区。
现场地质状况是现场勘察的主要内容之一。
地质状况将决定使用何种钻孔、挖掘设备或安装成本的高低。
现场勘察的详细地质资料见附件。
在实际工程应用中，地源热泵技术的经济性与可操作性还取决于工程场地的地质构造，水文地质条件，工程施工条件等多种因素。
3.2.2气候条件
济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。
其特点是季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季气温低，但无严寒。
年平均气温14.3℃，极端气温最高40.5℃，最低零下14.9℃。
济南地区建筑的年冷热负荷相差不大，采用地源热泵技术，可以基本实现夏季向地下蓄热，冬季从地下取热，地热换热器的冷热负荷全年比较均衡的技术要求，系统运行效率高，因此该地区是地源热泵技术应用的适宜区域。
3.2.3建筑负荷特性
办公楼的负荷变化一般比较缓慢，在济南地区气候条件下，办公建筑的空调热负荷指标在58-81W/m2，冷负荷指标为92-120W/m2。
由于本工程建筑的节能设计已符合山东省工程建设标准《公共建筑节能设计标准》中的各项规定，节能可达到65%的要求，考虑一定的安全余量，现估算建筑物的平均热负荷指标为75W/m2；冷负荷指标为105W/m2。
节能公共建筑单位建筑面积设计冷热负荷相对稳定，空调冷热负荷变化缓慢，且全年的累计冷热负荷相差不大，非常有利于地源热泵系统的运行。
这些负荷特点比较适宜地源热泵空调系统。
便于控制系统的初投资，系统运行稳定可靠。
3.2.4地埋管所需空间
对于高档办公楼，建筑容积率比较低。
建筑主体周边可用空地面积较多，可以用来埋管。
另一方面可以充分利用建筑物的地下空间来设置地热换热器，减少对周边地表面积的利用。
初步估算本项目有足够空间埋设地埋管。
3.2.5地源热泵系统的冷热平衡
由负荷计算结果知地下埋管全年冷热量不平衡率为13%。
图3.3为地源热泵系统运行20年期间的循环液进出热泵的月平均温度变化曲线。
由图1可以看出，在运行一个采暖与空调周期后地下岩土温度变化幅度很小，但由于地埋管的年取热量略微大于年释热量，所以地下的温度变化总体上呈缓慢下降的趋势。
取距离周边钻孔10m远处的岩土温度作为钻孔群所处位置的岩土参考温度。
由图3.3还可以看出，经过20年的模拟运行之后，距离钻孔10m远处的平均岩土温度仅仅比初始温度的16℃降低了约1℃。
这说明地埋管在一年的运行周期内，向地下的散热量与从地下的取热量基本保持平衡，地下岩土温度在一个采暖与空调周期后基本回复到初始温度，这就保证了系统的高效率运行。
值得注意的是，即使设计工况为理想工况，即地下岩土的取热与散热在一个周期内达到平衡，但在实际运行中，地下岩土的年吸、释热量并非要求绝对的平衡，模拟设计结果表明不平衡率在±20%以内是可以接受的。
当然，这种允许的不平衡率会随着不同地区和岩土的热物性、地埋管换热器所在地点有无地下水流动及其流动特点，以及建筑物的冷热负荷变化等因素有关，是因地而异的。
如果整个地埋管区域存在缓慢的地下水的渗透流动，则对地温的恢复有积极的影响。
可以通过埋地的温度传感器来监测地温变化情况，据此进行运行调节。
图3.3系统运行20年的月温度变化模拟曲线
如上分析，本项目在设计地源热泵系统时，地下吸放热的不平衡程度不大。
为保证地源热泵系统在长期运行中能高效运行，应减小冷热负荷的不平衡程度。
尽量保证在一个供暖空调运行周期内，地下散热取热达到基本平衡。
本项目可采用如下措施：
（1）采取分户热计量，提高冬季采暖行为节能的自觉性，提高能源利用率，降低冬季负荷；
（2）适当增加夏季空调运行时间。
（3）适当提高夏季热泵机组冷却水的进出水温度，增大释热量。
（4）增大埋管间距
可适当地增加地埋管各钻孔之间的间距，降低埋管间的热干扰，增大蓄热体，有利于地埋管从周围岩土中的提取热量。
（5）间歇运行，有利于地温的恢复
在冬季气温较高时，可以间歇性地运行或停止部分热泵机组，使地下岩土蓄热体有较长地温恢复时间，提高换热温差，延长系统在高效率点的运行时间。
3.3地源热泵空调全寿命周期技术经济分析
3.3.1与常用空调系统的运行费比较
根据该建筑的市政资源条件、场地条件、建筑功能及负荷特点，有可能适合本项目的冷热源方案主要有：
（1）地源热泵
（2）冷水机组与锅炉配套
（3）冷水机组与城市热网配套
设定采暖期均按120天计，根据统计资料，大致把整个采暖期划分为5个负荷系数：
0.3、0.5、0.8、0.5和1，对应的运行时间分别为10天、30天、40天、30天和10天，夏季制冷期均按90天计算。
表3.1冷热源系统运行费用比较
冷热源方式
及序号
项目
方案一
方案二
方案三
地源热泵
冷水机组与
燃气锅炉配套
冷水机组与
城市热网配套
季节
夏季
冬季
夏季
冬季
夏季
冬季
能源形式
电
升级会员 