河运高速地源热泵中央空调系统项目建议书.docx
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河运高速地源热泵中央空调系统项目建议书
一、工程概况
1.1河运高速公路项目概况
河运高速即河津至运城高速公路，是山西省“三纵十一横十一环”主骨架西纵的重要组成部分。
该项目起点位于河津市，终点位于盐湖区，列在今年要建成的1000公里高速公路内。
全线位于运城市境内，接建成的运风、运三高速，最终与连霍高速相连，形成山西省西纵高速的南出口。
河运高速全线包括万荣、临猗两个服务区，及河津南、万荣西、阎景、临猗北、临猗西五个收费站。
1.2气候概况
运城市气候属温带大陆性，年均气温11.8至13.7℃，一月零下1℃至6℃，七月24至28℃，年降雨量490至620毫米。
霜冻期在十月中旬至次年三月低。
无霜期186至235天
运城地区采暖通风与空气调节室外气象参数：
台站位置
大气压力（hPa）
室外计算干球温度（℃）
夏季空气调节室外计算湿球温度（℃）
最热月平均温度（℃）
室外计算相对湿度（%）
北纬
东经
冬季
夏季
冬季
夏季
冬季最冷月月平均
夏季最热月月平均
采暖
空气调节
最低日平均
空气调节
空气调节日平均
35
111
982
963
-7
-9
-13.2
35.5
31.4
25.9
27.3
57
69
1.3工程内容及范围
该地源热泵中央空调系统用于河运高速全线两个服务区和五个收费站全部建筑物的夏季制冷和冬季制热；总建筑空调面积约20000㎡,要求该空调系统在满足舒适型空调效果的同时,能够体现国家节能环保的能源政策方针,减少碳排量，具有较高的经济性、节能性、环保型意义。
二、系统设计方案
2.1设计依据
1、主要设计规范、标准
（1）《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）
（2）《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ-2003）
（3）《建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB50242－2002）
（4）《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-95）
（5）《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JCJ134-2001）
（6）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）
（7）《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）
（8）《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101—2004）
（9）其他必需的规范、规程
2、设计基础资料
（1）民用建筑暖通空调设计技术措施；
（2）《采暖通风与空气调节设计手册》
（3）室外空气的空调设计参数：
（4）甲方提供的建筑图纸；
（5）地质情况：
本次地源热泵空调是在地下土壤为粘土的基础上设计。
2.2地源热泵系统综述
2.2.1.地源热泵系统技术概念
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，既可供热又可制冷的高效、环保、节能的热泵技术。
2.2.2.地源热泵技术原理和地源热泵中央空调系统分类
地下浅层地热资源分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。
地源热泵中央空调系统主要分三部分：
室外地能换热系统、水源源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
地源热泵中央空调系统按照室外换热方式不同可分为四类：
（1）土壤源热泵中央空调系统；
（2）地下水源热泵中央空调系统；（3）单井换热热井中央空调系统；（4）地表水源热泵中央空调系统。
根据室外循环水是否为密闭系统，分为开环系统和闭环系统。
2.2.3.地源热泵中央空调系统特点
1）属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球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。
其中可以利用土壤或水体，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，收集了约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，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
2）高效节能
地源热泵可利用的地下水或土壤温度冬季为8-15℃，热源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。
而夏季地下水或土壤为10-24℃，冷源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，机组效率提高。
据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。
3）节水省地
①以土壤或地下水等为冷热源，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。
②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）运行稳定可靠
地下水或土壤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。
是很好的热泵热源和空调冷源，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,不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
5）环境效益显著
地源热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。
所以节能的设备本身的污染就小。
地源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134a、R407c和R410A等替代工质。
地源热泵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。
6）一机多用，应用范围广
地源热泵中央空调系统可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加冷水机组的两套装置或系统。
地源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。
7）自动运行
地源热泵由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，主要设备使用寿命长可达到25年以上，室外换热系统使用寿命长可达到50年以上。
2.2.4.该项目地源热泵系统概述
考虑到该项目的规模及经济性,最终选择利用土壤源作为空调系统的模式;采用垂直埋管形式（垂直埋管深度在冻土层以下，运城地区水平主横埋管深度不得小于2米），利用地下浅层土壤温度常年保持在10℃～18℃左右的特点，通过地下埋管内的介质循环与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的。
夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行降温；冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。
图1.地源热泵中央空调系统运行原理图
2.3冷/热负荷计算
1.室内设计参数
建筑类别
夏季
冬季
温度（℃）
相对湿度（%）
温度（℃）
相对湿度（%）
办公
26-28
≤65
18-20
-
餐饮
25-28
≤65
18-20
≥30
公寓
25-27
≤70
18-20
-
综合服务
26-28
≤65
18-20
-
2.冷/热负荷计算
根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ-2003）中提供的工程经验值,该设计中夏季单位冷负荷和冬季单位热负荷分别为:
建筑类别
夏季单位冷负荷（W/㎡）
冬季单位热负荷（W/㎡）
办公
100
80
餐饮
150
100
公寓
80
60
综合服务
110
80
根据服务区和收费站的各个建筑物的使用功能和空调面积，确定冷热负荷如下表：
场区
面积（㎡）
总冷负荷（KW）
总热负荷（KW）
办公
餐饮
公寓
综合服务
合计
万荣服务区A区
562.28
0
0
1617.48
2179.76
234.2
174.4
万荣服务区B区
674.53
0
890.48
1617.48
3182.49
316.6
236.8
临猗服务区A区
880.28
0
880
1665.8
3426.08
341.7
256.5
临猗服务区B区
356.39
0
0
1559.5
1915.89
207.2
153.3
河津南收费站
2242.34
166
0
0
2408.34
249.1
196.0
万荣西收费站
1330.5
166
0
0
1496.5
158.0
123.0
阎景收费站
1330.5
166
0
0
1496.5
158.0
123.0
临猗北收费站
2247.9
166
0
0
2413.9
249.7
196.4
临猗西收费站
1457.3
166
0
0
1623.3
170.6
133.2
合计
20142.76
2085
1592.6
2.4地源热泵空调系统设计
地源热泵是以地下土壤层为冷（热）源对建筑物进行供暖、供热水和空调供应的技术。
地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。
所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。
本地源热泵系统采用地耦管系统作为热泵主机的冷热源，通过室外地埋管管网对空调房间夏季提供7℃冷冻水（冬季45℃的热水），再通过室内空调末端设备对每个房间进行制冷及供暖。
2.4.1、热泵机组的设计
（1）热泵机组的选型
热泵机组的选型一般原则有：
满足系统的设计负荷；系统的初投资与运行费用小。
根据以上的冷、热负荷,选择克莱门特高温型水源螺杆热泵机组。
各场区热泵机组选配情况如下表：
场区
机组型号
台数
制冷量（KW）
制冷功率（KW）
制热量（KW）
制热功率（KW）
万荣服务区A区
PSRHH0851-Y
1
236.8
40.5
233.8
51.9
万荣服务区B区
PSRHH1201-Y
1
338.3
56.2
339.2
74.9
临猗服务区A区
PSRHH1302-Y
1
356.4
61.9
354.1
79.4
临猗服务区B区
PSRHH0802-Y
1
212.3
36.8
211
47.3
河津南收费站
PSRHH1102-Y
1
300.8
52.3
299.7
68.3
万荣西收费站
PSRHH0651-Y
1
176.2
30.9
175.6
39.6
阎景收费站
PSRHH0651-Y
1
176.2
30.9
175.6
39.6
临猗北收费站
PSRHH1102-Y
1
300.8
52.3
299.7
68.3
临猗西收费站
PSRHH0651-Y
1
176.2
30.9
175.6
39.6
制冷工况：
地下环路进水25℃，出水30℃；用户侧进水12℃，出水7℃；
制热工况：
地下环路进水10℃，出水5℃；用户侧进水40℃，出水45℃；
（2）热泵机组的运行方案
夏季制冷工况：
开启水源热泵机组作为建筑物空调的冷源，提供7℃的冷冻水,对建筑物进行制冷
冬季供暖工况：
开启水源热泵机组作为建筑物空调热源，提供45℃的热水,对建筑物进行制热
过渡季节：
可用于正常的机组日常维护与保养。
2.4.2、室外地耦管系统设计
室外地耦管是地源热泵系统设计的关键，本工程的重点也是室外地耦管的设计与施工。
由于对运城地区来说，以夏季空调为主，所以地下地耦管系统按夏季考虑，取最不利情况下的计算结果作为依据。
A、埋管形式：
地源热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管两种形式，本工程中，考虑到该项目可用埋管场地有限，推荐采用垂直埋管中的单U型管。
采用制作成型的U型管，可节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
B、管材的选取
由于所有埋管均在建筑物基础下面，一旦将埋管埋入，就不可能进行维修或更换，这就要求保证埋管的化学性质稳定并且耐腐蚀。
根据地源热泵施工规范要求选择高密度聚乙烯PE100管。
额定承压能力1.6Mpa，导热系数0.42W/（m·k）。
C、地埋管管路负荷计算原理
夏季向土壤中排放的热量按下式计算：
其中：
——夏季向土壤排放的热量，KW；
——夏季设计总冷负荷，KW；
——设计工况下水源热泵机组的制冷系数。
冬季，室内供暖时从土壤中吸取的热量按下式计算：
其中：
——冬季从土壤中吸取的热量，KW；
——冬季设计总热负荷，KW；
——设计工况下水源热泵机组的制热系数。
D、本项目地埋管换热系统估算
由于未提供该区域地质报告，根据经验埋管深度控制在100米，夏季每延米井深换热量取60W/米，冬季每延米换热量取30W/米，孔间距取4米，设计如下：
场区
计算打孔数量
实际打孔数量
占地面积（㎡）
万荣服务区A区
46
51
813
万荣服务区B区
66
72
1157
临猗服务区A区
70
77
1227
临猗服务区B区
42
46
731
河津南收费站
59
65
1040
万荣西收费站
35
38
607
阎景收费站
35
38
607
临猗北收费站
59
65
1040
临猗西收费站
35
38
607
合计
490
7829
为了保证空调系统的使用效果和稳定性，实际打孔数量为计算打孔数量的1.1倍。
三、经济性分析
3.1、初投资同传统中央空调对比
中央空调方案
地源热泵方案（万元）
单冷机+燃煤锅炉方案（万元）
室外打孔
200
\
PE管材
150
\
冷却塔
\
90
储煤场
\
50
室外施工费
120
120
楼内空调工程
350
350
机房
400
450
措施费
100
100
合计
1320
1160
由于设计施工图未出，以上各项投资为暂估价。
3.2、运行费用同传统中央空调对比
按夏季制冷天数120天、每天运行16小时；冬季制热天数120天、每天运行16小时进行分析。
地源热泵制冷能效比5.5，制热能效比4，水冷冷水机组制冷能效比5；工业用电价按照0.8元/度、燃煤价格按照860元/吨，进行经济性分析比较：
夏季供冷
冬季供暖
全年
地源热泵方案
机组：
380kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.52（使用系数）×120天/夏季=30.4万元
机组：
400kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.52（使用系数）×120天/冬季=32万元
88万元
水泵：
100kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.8（使用系数）×120天/夏季=12.8万元
水泵：
100kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.8（使用系数）×120天/冬季=12.8万元
传统制冷采暖方案
机组：
417kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.7（使用系数）×120天/夏季=44.8万元
1592.6KW×3600s/（20934kJ/kg*90%）×16h/天×120天/冬季×860元/吨=50.2万元
122.5万元
水泵、冷却塔：
120kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.8（使用系数）×120天/夏季=14.7万元
水泵：
100kW×16h/天×0.8元/kW·h×0.8（使用系数）×120天/冬季=12.8万元
3.3、经济效益分析
通过计算可知：
地源热泵系统比传统制冷采暖系统每年可节约运行费用约34.5万元，节能率28.2％；
地源热泵系统比传统制冷采暖系统每年节能标煤量约174吨；减少CO2的排放量450吨；
系统投资回收年限情况为：
地源热泵系统比传统制冷采暖系统初投资高约160万元，投资回收年限4.6年；
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