清园地源热泵一机三用方案1

清园地源热泵可行性方案

江苏华晟建筑设计有限公司

2008年9月25日

倡导绿色新能源文化

随着煤荒、电荒、油荒甚至气荒等一系列能源紧缺问题的凸现，从人类社会的发展来看，能源的重要性无须赘述，在能源日益短缺，环境污染日益严重的今天，使用清洁可再生能源——风能、太阳能、地热能、潮汐能等符合历史和现实的要求，契合人类社会的发展潮流，是能源危机的阴影下的一道希望的光亮，整个世界的目光逐渐聚集到可再生能源的发展和应用上。

浅层地热能是地热资源的重要组成部分，温度比较稳定，分布广泛，埋藏浅，开发利用方便，具有十分广阔的开发利用前景。地源热泵是浅层地热应用最主要的推广技术，夏季能供冷、冬季能供暖，同时还可以供生活热水，实现“三联供”，而且具有投资少、运行费用低等十大特点，被称作二十一世纪最有效的冷暖空调技术，我国党和各级把该技术推广作为节约能源和环境保护可持续发展战略的重要内容，出台了多项鼓励发展的指导意见和措施。

地源热泵产业作为绿色新能源新经济，它的生存，它的发展需要产业自身的努力外，更需要大众对它的认知和接受，首先应该作为一种先进的文化理念进行普及，然后才能有地源热泵产业的推广和发展。在这个意义上来说，地源热泵产业的发展的独特性就在于需要“市场未动，理念先行”。

从实践上看，地源热泵产业十年间从无到有，从小到大的发展说明了该产业是符合社会发展方向的，是符合消费者需要的，是符合能源发展潮流的。劳特斯对地源热泵信心，不仅源于对能源发展趋势的深刻理解，更是对社会发展和国家支持有信心，对自身实力和行业前景有信心，更是对可再生能源发展的美好未来有信心。

劳特斯将通过自身的努力，在地源热泵领域不断探索，以期树立可再生绿色能源发展的样板和标杆，并努力和全社会一道营造一个可再生能源健康发展的环境。简单概括起来，倡导绿色新能源文化，营造绿色生活就是劳特斯地源热泵产业的核心任务和最高目标。

相关：

1994年3月批准了《中国21世纪议程下的可持续能源计划》；

1997年11月原国家科委与美国能源部在北京签署了《关于地热能源生产与应用的合作协议书》；

1998年11月，开始实施《中美两国合作推广美国土—气型地源热泵技术工作计划书》；

2005年4月，建设部发布国家标准《公共建筑节能设计标准》；

2006年8月，财政部建设部发布国家标准《建设部、财务部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》；

2007年3月，总理在第十届全国人民代表大会第五次会议作工作报告时强调要大力抓好节能降耗、保护环境。

近年来，北京、天津、辽宁、宁波等大量地方出台多项鼓励地源热泵的应用推广。

2007年6月，国家发展和改革委员会会同有关部门制定的《中国应对气候变化国家方案》（以下简称《国家方案》）已经批准发布，重点指出“发展低碳能源和可再生能源”、“改善能源结构在能源技术自主创新方面，应对气候变化的挑战，最终要依靠科技”。

地源热泵空调系统介绍

根据本项目的特点和项目建设的外部条件，本设计采用高效、节能、环保的地源热泵空调系统。其工作原理图如下所示：

（1）地源热泵系统简介

地源热泵技术利用大地表层中恒定的温度以及储存于地下土壤层中近乎无限的可再生低品位热能（可称为地表热能），通过输入少量的高品位能源（如电能），实现了低温热源向高温热源的转移，地表土壤浅层（包括地下水）分别在冬季和夏季作为低温热源和高温冷源，能量在一定程度上得到了

循环回用，在满足建筑基本功能的同时，最大限度地实现了节能与环保的目标，符合当今世界的发展方向，是最有希望在住宅、学校、商业、公用建筑供热制冷空调领域发挥重要作用的新技术。

去各用户 地源热泵 热泵用户 水地源 水泵 地源 地源热泵是一种较低的费用向房屋供暖、供冷和加热生活热水的优异空调系统。美国环境保护局已经宣布，地源热泵是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。它比空气热泵系统可节省能源40%以上，比电采热节少能源70%以上。它比最好的燃气炉的效率平均提高48%，比燃油炉的效率高出75%。

（2）地源热泵系统在建筑领域中应用的优势

☆ 可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

☆ 属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，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。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

☆ 环境效益显著

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

☆ 一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、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；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。

☆ 高效、节能，节省运行费用

电采暖或燃煤（油、气）采暖是将电能或燃烧能直接转化为热量，能量利用率小于100％，消耗1KW电能只能得到小于1KW的热量。而利用热泵，则可得到几倍于消耗电能的能量,一般消耗1KW电能可以得到不小于4KW的热量，能源利用率为电取暖和燃烧取暖的四倍以上。地源热泵是利用地下土壤或水体温度冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，始终恒定在10℃～25℃的状态，使热泵机组运行效率上升，其能效比可高达4.5～6.5，而一般风冷热泵机组只能达到2.3～3.0，所以可以比常规空调节省40％～60％的运行费用。 ☆ 冬夏两用，应用范围广

由于地下土壤温度常年恒定，无论是酷暑还是寒冬，地源热泵都能高效制冷、制热，不用担心别家的分体空调机组效果不好的情况发生在自己身上。 ☆ 运行稳定可靠，寿命长

地下土壤和水源温度一年四季相对稳定，其温度波动远远小于空气波动。所以机组可以全年稳定运行，不受外界气候变化的影响，而且系统简单，运动部件少，自动控制程度高，保证了其运行可靠性，其寿命可长达25年以上。 ☆ 可实现区域控制，随意调节制冷、制热

地源热泵机组可组成多个系统对建筑物进行区域性控制，各区域可按各自不同的需要单独进行制冷或制热，而且不受季节、气温的影响，永久保持高效运行。 ☆ 结构简单、节省投资

无需锅炉，无需冷却塔，没有室外机组，系统简单，只需要少量的机房，节省建筑使用面积和人工维护开支，不影响建筑物美观，加上其高效节能性，运行费极低，只需2～4年便能收回比常规空调多余投资。

虽然地源热泵空调系统首期投资比常规空调要高，但其稳定可靠的性能、极低的运行费用，可使用户长年受益。所以从整个投资期来分析，地源热泵系统是所有空调系统中投资最小的。在有条件利用绿化地带、道路的情况下，不占用其它有效建筑区域，可以减小土地使用面积。在欧美发达国家，对地源热泵尤为青睐，特别是美国、加拿大及北欧地区。仅仅美国就已65万个地源热泵系统，占美国空调保有量的25％以上。美国地源热泵联合会统计：美国的地源热泵每年为美国节约了1400万桶原油。美国会计总署统计：地源热泵系统为每年为美国节约能源费高达数十亿美元，而且减少温室气体排放40％。可以预见：地源热泵空调将是21世纪最有效、最畅销的空调。

（3）地源热泵室外埋管设计：

根据我们多项地源热泵空调系统工程的实际设计和工程实施经验，地源热泵空调系统因为利用地下土壤为冷热源，系统的设计要考虑到本建筑的地下土壤结构和现场施工条件，结合建筑具体的工程实施情况，特别是当地地质条件、地下土壤的物性参数的实际情况。

根据项目所在地的土壤成分和地质结构，并结合室外现场情况，室外埋管系统设计采用双U型的垂直耦合埋管，埋管区域设计在建筑基础内，以减少室外埋管占地面积，提高埋管换热效率。

室外埋管集管设计形式：采用地下建井的分水器、集水器形式，使每个垂直埋管的U型管内水流状态为紊流状态，保证室外埋管循环系统的水力平衡。并有利于系统的维护和检修。

垂直埋管材料：为保证地下埋管的安全应用和使用寿命，埋管管材选用型号HDPE-100、管径： Ф32 壁厚：3MM，此管道材料耐压：1.5MPa

埋地U型管U型弯头采用电融焊接，确保管道接头的连接强度和焊接质量。

埋管回填材料影响埋管耦合换热器的换热效率和使用寿命。本系统设计采用一部分沙石回填和一部分混凝土等混合配比材料回填，采用混合配比材料不仅增大埋管换热系数而且还能起到保护地下埋管管道的作用。

（4）室外系统施工内容

1、垂直埋管系统：包括钻孔、埋管、回填、管道打压实验等。

2、联络管系统：包括管道安装、打压、回填等。

3、主管道系统：包括管道支架制作安装、管道安装、阀部件安装、打压、保温等。

双U型垂直耦合埋管换热器图

（5）所有管路都采用PE管。 PE管的性能特点：

● 良好的卫生性能

PE管加工时不添加重金属盐稳定剂，材质无毒性，无结垢层，不滋生细菌，很好的解决了城市饮用水的二次污染。

● 卓越的耐腐蚀性能

除少数氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀；无电化学腐蚀。

● 长久的使用寿命

在额定温度、压力状况下，PE管道可安全使用50年以上。

● 较好的耐冲击性

P E管韧性好，耐冲击强度高，重物直接压过管道，不会导致管道破裂。

● 可靠的连接性能

PE管热熔或电熔接口的强度高于管材本体，接缝不会由于土壤移动或活载荷的作用而断开。

● 良好的施工性能

管道质轻，焊接工艺简单，施工方便，工程综合造价低。

方案设计及可行性分析

一、 工程概况

徐州市清园坐落在风景优美的泉山森林公园东部，它是一个综合性项目。本建筑共有三个单体项目。地上建筑面积分别为：办案楼2990 m2，会馆1498 m2，研究学会1632 m2.

二、设计参数及空调冷热负荷

1、室外计算参数：（参见徐州地区气象参数）

2、室内设计参数：夏季: 24~26℃ 相对湿度60%；冬季：18~20℃ 相对湿度30% 。3、建筑夏季冷负荷指标：100W/ m2；冬季热负荷指标：65 W/ m2 。 4、本工程空调冷负荷：办案楼299KW，会馆150KW，研究学会163KW 空调热负荷：办案楼195KW，会馆98KW, 研究学会106KW

三、空调系统设计

1、空调系统划分

本项目由三个单体项目组成，每个单体项目均设计单独的空调系统。

2、空调系统主机设备选择

地源模块涡旋热泵机组参数:

LWWM300HT/6 制冷量 Q=102.8Kw输入功率=23.3Kw，制热量Q=94.8 Kw输入功率=30.6Kw

LWWM200HT/4 制冷量 Q=68.5Kw输入功率=15.5Kw，制热量Q=63.2 Kw输入功率=20.3Kw

a. 办案楼选择LWWM300HT/6地源模块涡旋热泵机组3台.

b．会馆选择LWWM300HT/6地源模块涡旋热泵机组1台， LWWM200HT/4地源模块涡旋热泵机组1台。

以上两栋建筑地源系统采用室外垂直埋管换热器。

c. 研究学会选择LWWM300HT/6地源模块涡旋热泵机组1台， LWWM200HT/4地源模块涡旋热泵机组1台。

此建筑地源系统采用地表水闭式换热器。

四．室外垂直埋管换热器设计

（一）本工程地质勘察报告资料

1、建筑物土壤地质资料

按徐州区域水文地质普查报告提供的资料，分析得出，项目所在地岩土结构在0—100米深范围内大致可分为如下几层：

地层标高（ m ） -5 -15 -100 主要岩土结构 粘土、淤泥 风化岩石 石灰石 2、大地热工特性表

传导率/ 地层材料 扩散率f密度1b/热容量Btu/ft3 1b*0F 0.20 0.20 0.23 [W/（m.K） t2/h 密集岩层(花岗岩) 普通岩石(石灰石) 重土-潮湿 2.0 1.4 0.75 0.050 200 0.040 175 0.0250 131 详细准确的建筑地质工程堪察资料是土壤源热泵热泵空调系统设计的重要依据。 在设计中应注意地下岩土的温度场变化有二个主要特性：一是达到一定深度后温度基本上保持一个定值,这个值为该地区的年平均气温加2度(徐州地区年平均气温15.8度)；二是在地表以下一定范围内温度呈周期性变化,但波动幅度小于气温的波幅,而且存在时间上的延迟,随着深度的增加波幅减小,延迟度增大。这二点都有利于热泵系统工作能效比的提高。

（二）室外垂直埋管换热器设计

1、可行性评估

本工程场院宽阔，有足够的使用面积，为采用土壤源热泵系统提供了必要条件。最后应根据岩土地质勘察结果，最终评估土壤源(垂直埋管)热泵系统实施的可行性及经济性。根据建筑物室外总平面及估算地质情况，采用DN32,双U型垂直埋管换热器，间距5米。 2、室外垂直埋管换热器设计计算 （具体位置见平面图）

室外垂直埋管材质选择：采用PE管U型单排管 d32 3.0+0.5/PE100 1.6MPa

（1）、井间距：5*5米

（2）、井径：D160

（3）、井深：102米

（4）、指标：制冷80w/米深, 制热60w/米深。

（5）、打井数量：

a.办案楼部分

1）根据冷负荷计算放热所需井数：夏季机组 COP 值取5。 井数=［299*（1+1／5）］／8=44.8口 2）根据热负荷计算取热所需井数：冬季机组 COP 值取3.1。

井数=［195*（1-1／3.1）］／6=22.5口

所以，根据以上的计算，打井数量为45口，4组（每组约为11个）。总埋管长度：18000米

b.会馆部分

1）根据冷负荷计算放热所需井数：夏季机组 COP 值取5。

井数=［150*（1+1／5）］／8=22.5口 2）根据热负荷计算取热所需井数：冬季机组 COP 值取3.1。

井数=［98*（1-1／3.1）］／6=11.5口

所以，根据以上的计算，打井数量为23口，2组（每组约为12个）。总埋管长度：9200米

（6）、钻孔回填材料：比例为3：7的灰沙回填。

五、地表水闭式换热器设计

本项目的研究学会采用地表水闭式换热器。

地表水环路系统利用地表水的能量供给热泵机组。设计时主要考虑以下方面

1.地表水闭式环路用防腐蚀的塑科盘管组成。

2.地表水换热器最低水位不低于盘管1.5 米，水库的面积要足够大。

3.传热系数为26m/1kw。

4.盘管固定在排架上。

5.因冬天水库温度较低，系统内需添加乙二醇溶液。

采用地表水闭式换热器系统在造价方面要比地埋管系统低40%（室外系统及主机部分）。

六、生活用热水的供应

1.本工程生活热水使用状况分析

本项目中的办案楼设有集中空调系统（夏、冬季运行）和全年性24 小时生活热水供应系统。为本项目选用的地源模块式冷热水机组(带有热回收装置)，可在夏季供应空调冷水的同时也可提供部分生活热水（10℃-55℃）。考虑其它季节需提供生活热水及夏季热回收量不足的情况下提供生活热水，增加一台环保冷媒地源热泵热水机组。

2.生活热水系统经济分析

1）、每日热水用水总量

按宾馆热水用量标准，每日每人55℃热水150-180L，取上限180L，本项目共有标准间约45间，加上宾馆各娱乐区、生活区用水量，现按照20T/天考虑。

2）、每天生活热水耗热总量：

夏季

自来水温度按20℃计算

Qx=20000L*1kcal/kg·℃*（55℃-20℃）=70万大卡

冬季

自来水温度按5℃计算

Qd=20000L*1kcal/kg·℃*（55℃-5℃）=100万大卡

过渡季

自来水温度按15℃计算

Qg=20000L*1kcal/kg·℃*（55℃-15℃）=80万大卡

本卫生热水总量按20T/天计算.冬天最大热负荷为100万大卡/天即1160 KW /天，可选用一台环保冷媒地源热泵热水机组LWWM300HT/6R,制热量约为90 KW/小时，冬季每天运行13小时，春秋季每天运行10小时，夏天每天运行9小时，即可满足生活热水要求。

七、与其它方案对比

此处方案比较以办案楼为例

冷、热源是空调系统中最重要的设备之一。冷热源投资不仅在空调系统中占有较高的比重, 而且在以后日常运行费用中也占有较高的比例。冷、热源的选择不仅包括系统自身的要求,而且还涉及工程所在地区的能源结构、价格、导向、环境保护等因素, 因此,冷热源的选择是一个技术经济综合比较的过程。该项工程地处徐州市旅游景观区（公园）, 环保要求高, 严禁建设锅炉房, 周围又无蒸汽管网提供蒸汽。因此, 在本项工程冷、热源方案确定中, 受到很大, 我们只能选用电锅炉作为热源方案。但因本建筑周边的建筑稀疏, 有宽阔的地方可以满足打井需要, 因而地源热泵系统是我们考虑的重要方案。在本项工程冷、热源方案比较中, 我们主要针对以下两种方案进行了综合分析与比较:

( 1) 方案一。设计两台风冷式冷水机组为空调系统提供冷热源。单独设置一台电锅炉（或燃气锅炉）为生活热水提供全年热源需求。

( 2) 方案二。采用地源热泵系统, 一机三用, 夏季提供空调冷源和及部分生活水热源; 冬季提供空调热源, 冬季及春秋季由单独的环保冷媒地源热泵热水提供生活热水，夏季热回收不足部分的热水制备也由此机组承担。

3.1 主要设备初投资比较（两方案均有的设备不做比较）

设备名称和规格 方案一 方案二

数量, 单价, 万元 数量, 单价, 万元

风冷冷热水机组Q冷=198kW

, N=68kW（考虑衰减） 2 18.8 地源模块涡旋热泵机组

LWWM300HT/6 Q冷=106kW N=23.3kW 3 7 环保冷媒地源热泵热水机组

LWWM300HT/6R Q热=90kW N=28Kw 1 10 电热锅炉Q=150kW（含增容费） 1 10 电辅助加热器 Q=50kW 1 1.5

水平地埋管, PE80, PE100 1批 3 地源井集分水器, DN200 1 0.5 打井埋管投资费 45口 1.6 地源井侧循环泵50m3/h, 压力125M 2 0.2 机房材料及施工费用, 万元 8 10 合计, 万元 57.1 117.9 3.2 运行费用比较

3.2.1 比较条件

冬季采暖期为120d, 夏季制冷期为120d, 过渡季节为120d; 每天运行时间为10h, 电费为0.75 元/kWh；办案楼热水负荷暂按整个项目热水负荷的100%考虑。则冬季总热负荷为311kW, 过渡季节总负荷为116kW, 夏季总负荷为380kW。

方案一: 冬季总功率为302kW, 过渡季节总功率为93kW, 夏季总功率为218kW。

方案二: 冬季总功率为98kW, 过渡季节总功率为28kW, 夏季总功率为: 77kW 3.2.2 计算公式 Y=ΣN d t y n ( 1)

式中Y — 运行费用, 元; ΣN — 总功率, kW; d — 运行天数, d;

t — 每天运行时间, h/d; y — 运行电费, 元/kWh; n — 同时使用系数，0.7

3.2.3 计算结果如下

运行费用比较（万元）

项目 方案一 方案二 冬季运行费用 19.03 6.17 过渡季节运行费用 5.86 1.76 夏季运行费用 13.73 4.85 年运行费用 38.62 12.78

3.2.4 综合投资比较如下

综合投资比较

项目 方案一 方案二 机房设备初投资 57.1 117.9 年运行费用 38.62 12.78 初投资差额 117.9 – 57.1 =60.8 全年运行费用差额 38.62- 12.78 =25.84 注: 投资回报时间:： 60.8÷25.84=2.5( a)

可以看出, 虽然方案一初投资小, 但运行费用很高, 不经济; 方案二初投资较高, 但运行费用低,不污染环境, 节能环保, 从开始运行算起, 2.5a以后就开始省钱, 较方案一,每年可省25.84万元运行费用, 按机组15a 使用寿命计算, 方案二可省326 万元运行费用，此处还不包括水冷螺杆机组的使用寿命远大于风冷机组。

八、如果本项目允许采用地下水，以上方案同样可用，并且可以节省投资约50万元。