北京某办公楼中央空调设计案例解析.docx
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北京某办公楼中央空调设计案例解析
北京某公司
中央空调方案可行性研究
二零零九年十月
目录
Ⅰ、北京萨斯特能源技术有限公司介绍………………………………3
Ⅱ、地源热泵空调系统型式简介………………………………………3
Ⅲ、项目简介……………………………………………………………4
一、项目概况…………………………………………………………4
二、设计范围…………………………………………………………4
Ⅳ、空调系统设计方案…………………………………………………5
目录
第一部分、热泵系统简介3
一、水源热泵系统特点3
二、地源热泵系统特点4
第二部分、项目简介5
一、项目概况5
二、设计理念5
第三部分、空调系统设计5
一、设计依据5
二、设计计算参数6
三、系统原理6
四、末端设计9
五、机房设计9
六、冷热源设计10
七、投资汇总11
第四部分、运行经济分析11
一、系统运行费用12
二、年投资分析13
第一部分、热泵系统简介
一、水源热泵系统特点
水源热泵是一种利用地球浅层水源，吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。
地球浅层水源温度一般都十分稳定。
水源热泵机组工作原理就是冬季从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。
通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量。
水源热泵机组的优、缺点：
1）水源热泵可利用的水体温度冬季为10-15℃，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。
而夏季水体为15-20℃，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，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空调系统，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。
2）运行稳定可靠：
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。
是很好的热泵热源，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。
3）地下水含有各种矿物质、化学元素、对热泵机组换热器形成腐蚀、结垢现象，影响机组的使用寿命，同时由于机组结垢影响换热量，考虑设计余量，增加初投资。
4）随着全世界淡水资源的紧缺，作为储备资源的地下水体，多数国家都限制其开发利用。
5）用后尾水的回灌问题增加部分运行费用。
6）水井循环泵通常为潜水泵，潜水泵工作环境恶劣，维护量大，同时水井也要定期维护。
7）
抽取地下水会产生一定水资源费。
8）长远考虑，长期抽取地下水会产生地表下沉、污染地下淡水及相关政策风险。
二、地源热泵系统特点
地源热泵中央空调系统是通过深埋在地下土壤中的地埋管与地下土壤进行冷热交换，并通过地源热泵机组把这部分热量供给室内。
该系统充分利用了地下土壤常年温度保持恒定的特点，是目前所有空调系统当中最节能的系统，也是环保、节能、“零”污染、“零”排放的一种空调系统。
水源热泵机组的优、缺点：
1）地源热泵机组可以说是吸取水源热泵机组的优点，并对水源热泵室外水井系统回灌困难、维护量大，维护费用高，寿命短等这一系列弊端的改进后，所形成另一优良系统。
它不但有水源热泵系统的所有优点，而且还有效、巧妙地克服了水源热泵的弊端。
2）节能：
地源热泵能效比（COP值；EER值）高达5.0以上；空调运行费用比传统中央空调可降低40%-70%，是目前最节能的系统形式。
3）运行安全稳定可靠：
不受环境气温的影响；系统简单，省去风冷冷凝器，冷却塔等部件的维护工作，可稳定持续地供冷供热。
热泵已有几十年的历史，其机组在国外已有70多年的用户使用体验。
被证明确是高质量、长寿命的产品。
机组使用寿命长达25年，地埋系统则至少可保证50年的使用寿命。
4）环保：
系统全部为闭式循环；对大气及环境无任何污染，而且对能源消耗极低，属于绿色环保型装置，符合目前我国能源、环保的基本政策。
5）地源热泵空调系统是目前发达国家普遍采用的技术先进的、绿色节能空调系统,属于高档空调系统。
6）地源热泵系统在管理上更能节省运行费，由于该机的自动控制水平高，服务台上就可控制，操作方便，控制精确，节能显著，同时又可大大节省操作人员，基本上可实现无人值守。
7）初投资受当地地质条件影响较大，初投资一般偏高。
第二部分、项目简介
一、项目概况
本项目为北京某公司办公楼中央空调工程，其中现有办公楼面积12000平方米，热力站则采用节能、环保地源或水源热泵系统。
空调负荷夏季取90W/m2，冬季取60W/m2，空调冷负荷1080kw，热负荷720kw。
负荷采用指标法暂时估算，详细设计时复算校正。
二、设计理念
根据本项目使用特点，工作期间办公楼空调运行，所以冬季空调负荷较小，地埋系统夏季豁度较大，地埋系统可按冬季设计，可以减少系统容量，降低初投资。
第三部分、空调系统设计
一、设计依据
《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）；
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）；
《给水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13633）；
《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）
《简明空调设计手册》
《地源热泵工程技术指南》，徐伟译
《InstallationGuide》（IGSHPA-2005）；
《2000DesignandInstallationStandards》（IGSHPA-2005）；
《GroutingProceduresforGHPSystems》（IGSHPA-2005）；
《SoilandRockClassificationFieldManual》（IGSHPA-2005）；
《GroutingforVerticalGHPSystems》（IGSHPA-2005）；
业主提供初步资料等
二、设计计算参数
2.1室外空气设计参数
夏季室外气象参数：
大气压力：
100125pa
空调室外计算干球温度：
33.2℃
空调室外计算湿球温度：
26.4℃
平均风速：
1.9m/s
冬季室外气象参数
大气压力：
102391pa
空调计算温度：
-12℃
空调室外计算相对湿度：
45%
平均风速：
2.8m/s
2.2室内设计参数
参数
房间名
夏季
冬季
噪音
温度（℃）
温度（℃）
（db）
办公间
24-27
20-22
≦40
卫生间
26-28
16-18
≦45
三、系统原理
3.1地源热泵系统原理
地源热泵系统原理图
3.2水源热泵系统原理
水源热泵系统原理图
3.3两种系统差异
1、相同点：
压缩机工作原理相同，均符合“卡诺循环”和“逆卡诺循环”原理；
逆卡诺循环冷机的制冷系数为：
◆要实逆现卡诺循环，必须有高温和低温两个热源
◆逆卡诺循环的效率只与高、低温热源的温度有关，而与工质性质无关。
◆提高效率的途径是降低高温热源的温度或提高低温热源的温度。
2、不同点：
源侧温度不同，即T1不同，夏季：
地源热泵冷却侧温度T1为18～23℃，而水源热泵为15～20℃。
3、能效比：
单纯考虑源侧水温，水源热泵系统比地源热泵能效比高，考虑
水源热泵系统结垢、腐蚀的影响，水源热泵机组与地源热泵机组效率相当。
四、末端设计
4.1室内负荷计算及末端设备选型
办公楼12000平方米，按40平方米/间估算，需要300台FP-8.0风机盘管。
4.2末端投资估算
序号
设备名称、型号
单位
数量
单价（元）
合价（万元）
1
风机盘管FP-8.0
台
300
1000
30
2
水系统及安装
套
1
300000
30
3
风系统及安装
套
1
200000
20
末端系统初投资合计（万元）
80
五、机房设计
5.1地源热泵系统机房设备选型
序号
设备名称、型号
性能参数
单位
数量
单价（元）
合价（万元）
1
水-水式地源
热泵机组
制冷量：
1080kw；制冷功率：
175kw；
制热量：
720kw；制热功率：
160kw；
台
1
700000
70
2
地埋侧循环水泵
流量：
300m3/h；扬程：
20m；
功率：
30kw（一用一备）
台
2
15000
3
3
负荷侧循环水泵
流量：
180m3/h；扬程：
32m；
功率：
22kw（一用一备）
台
2
10000
2
4
全自动软水器
处理水量：
1m3/h
台
1
10000
1
5
负荷侧膨胀水箱
V=1m3/h
套
1
5000
0.5
6
地埋侧膨胀水箱
V=1m3/h
套
1
5000
0.5
7
阀、软接、温度计、压力表、钢管等辅助材料
套
1
100000
10
8
机房设备、系统安装
套
1
50000
5
机房系统初投资合计（万元）
92
注：
机房设备用电最大用电量为200kw。
5.2水源热泵系统机房设备选型
序号
设备名称、型号
性能参数
单位
数量
单价（元）
合价（万元）
1
水源冷热泵机组
制冷量：
1200kw；制冷功率：
192kw；
制热量：
800kw；制热功率：
176kw；
台
1
750000
75
2
循环水泵
流量：
180m3/h；扬程：
32m；
功率：
22kw（一用一备）
台
2
10000
2
3
全自动软水器
处理水量：
1m3/h
台
1
10000
1
4
膨胀水箱
V=1m3/h
套
1
5000
0.5
5
旋流除沙器
套
1
15000
1.5
6
阀、软接、温度计、压力表、钢管等辅助材料
套
1
10000
10
7
机房设备、系统安装
套
1
50000
5
机房系统初投资合计（万元）
95
注：
机房设备用电最大用电量为230kw（含潜水泵）。
六、冷热源设计
6.1地源热泵系统
地源热泵系统冷、热源为室外地埋换热器。
通过深埋在地下土壤中的PE管与地下土壤进行冷热交换，并通过地源热泵机组把这部分冷热量供给室内。
每个孔内埋设一对U型地耦管，所有的地耦管通过水平集、分管汇集，通过循环水泵进入热泵机组，形成一个闭式系统。
地耦管内充注中间介质水作为冷热载体，中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，夏季通过土壤热交换器向土壤散热，冬季通过土壤热交换器从土壤中吸热，从而实现与土壤进行热交换的目的。
该系统充分利用了地下土壤常年温度保持恒定的特点，是目前所有空调系统当中最节能的系统，也是环保、节能、“零”污染、“零”排放的一种空调系统。
地埋系统包括埋地换热器及附件，循环水泵、补液器、过滤器、回填材料等设备。
地埋管采用DN32规格的专用聚乙烯塑料管材。
根据负荷量计算以及地质勘查资料，本工程需打140个深度为100米的地耦管孔，双U型下管。
地埋换热系统初投资估算：
序
号
材料名称
规格型号
单位
数量
单价（元）
合价（万元）
1
打井
φ130
m
14000
50
70
2
PE管
φ32
m
64000
8
51.4
3
PE管
φ63~φ200
m
4000
15
6
4
PE管件、土方等
套
1
50000
5
地埋换热器部分初投资（万元）
132.4
6.2水源热泵系统
地埋换热系统初投资估算：
序号
项目名称
单位
数量
单价
（万元）
合价
（万元）
1
水井（打井、下管、成井、下泵、井室）
2抽4灌
口
6
10
60
2
室外管线（直埋管、开挖、回填等）
m
12
12
3
配电
m
3
3
地埋换热器部分初投资（万元）
75
七、投资汇总
系统分类
末端投资
（万元）
机房投资
（万元）
冷、热源投资
（万元）
合计
（万元）
地源热泵系统
80
92
132
304
水源热泵系统
80
95
75
250
第四部分、运行经济分析
地源热泵系统是最近几年快速发展的节能环保型空调系统，在工程实际应用中都获得了很好的节能效果，下面通过详细计算，分析采用地源热泵空调系统与水源热泵空调系统的年运行费用，分析比较其节能性。
计算条件：
电价：
0.5元/kw.h。
夏季运行120天，
运行时间为每天8小时。
冬季运行120天
运行时间为每天12小时。
夏季冷负荷分布：
根据ARI及国内统计负荷，夏季空调系统70%以上的运行时间内，冷负荷为设计负荷的50%以下。
每日按8小时运行时间计算部分，夏季制冷期为120天，共960h，空调负荷率如下：
34h约为88%，189h约为62.5%，497h约为40%，240h约为15%，折合为满负荷运行时间为：
34×88%＋189×63%＋1497×40%＋240×15%=384h；
冬季负荷计算时已考虑气候等影响，故仅考虑使用系数0.85。
一、系统运行费用
计算说明
运行费用
地
源
热
泵
系
统
夏季
功率175kw+55kw,相当于满负荷运行运行384小时，使用系数0.85，电费0.5元/度。
（175+55）*384
*0.5=4.4万
冬季
功率160kw+55kw,使用系数0.85，电费0.5元/度。
（160+55）*120*12
*0.85*0.5=13.2万
合计（万元/年）
17.6万
水
源
热
泵
系
统
夏季
功率192kw+55kw,相当于满负荷运行运行384小时，电费0.5元、度。
（192+55）*384*0.5=4.7万
冬季
功率176kw+55kw,使用系数0.85，电费0.5元、度。
（176+55）*120*12
*0.85*0.5=14万
日常维护、管理费用
2万/年
水资源利用费
5万/年
合计（万元/年）
25.7
二、年投资分析
系统
分析项
子系统
年运行费用
（万元）
平均年投资
（万元）
末端水系统系统
主机设备
冷、热源
地源
热泵
系统
初投
资及
使用
年限
102万元，使用年限15年
70万元，使用年限25年
132万元，使用年限至少50年
17.6
102/15+70/25
+132/50+17.6
=30
水源
热泵
系统
初投
资及
使用
年限
100万元，使用年限15年
75万元，使用年限15年
75万元，使用年限6-8年
25.7
100/15+75/12+75/7+25.7=49
结论：
地源热泵虽初投资比水源热泵多54万元，考虑其使用寿命及节能性，地源热泵年平均投资比水源热泵少19万元，不到3年即可收回其多余投资额。
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