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可行性方案

建筑节能示范工程

可行性方案研究

项目名称：

长大·彩虹都高层办公及商住小区

中央空调地热能利用技术与产品开发

申报单位：

湖南长大建设集团股份有限公司

申报时间：

2011年10月

一、工程概况3

二、示范目标及主要内容3

三、工程技术示范方案8

四、经济技术分析10

五、进度计划与安排10

六、效益分析10

七、技术支持11

八、风险分析11

九、工程立项12

1、

工程概况

本项目为长大·彩虹都中央空调地源热泵系统方案，该项目为商住两用，总共18万m2，示范部分办公部分建筑面积为25000m2，住宅部分建筑面积122000m2，建筑面积为14.5万m2。

二、示范目标及主要内

本设计方案为地源热泵中央空调项目方案，包括地源热泵工程的地下换热器部分、冷热源机房和生活热水部分内容。

三、工程技术示范方案

1、主机负荷

根据提供资料，办公部分建筑面积为25000m2，住宅部分建筑面积122000m2。

根据长沙地区气象资料，对该建筑采用负荷估算发对该项目负荷分析。

办公部分取冷负荷125W/m2，热负荷65W/m2；住宅部分取冷负荷55W/m2，热负荷40W/m2；对该建筑负荷用冷负荷系数发进行分析，分析如下：

办公区冷负荷变化曲线：

住宅区冷负荷变化曲线：

总冷负荷变化曲线：

办公室热负荷变化曲线：

住宅热负荷变化曲线：

总热负荷变化曲线：

由以上分析可知，办公类建筑和住宅类建筑的冷热负荷起到很大的互补作用，集中冷热源能使系统的总负荷大大减少，减小系统的装机容量。

因此，系统总冷负荷为2429kW，最大冷负荷出现在下午16:

00，此时，办公类建筑处于负荷高峰时段，而住宅类建筑约只有总负荷的40％。

系统最大热负荷为1305kW，最大热负荷出现在早上＝8:

00，此时，办公类建筑为最大负荷，而住宅类建筑约为总负荷的33％。

2、空调形式

常见的地源热泵系统通过闭环式垂直埋管地热换热器向土壤释放建筑物的冷负荷或从土壤中吸收热负荷，通过热泵实现对建筑物供冷供热。

在地源热泵空调系统全年运行过程中，冬季通过热泵把从地下吸收的热量升高温度后对建筑供热，同时地下埋管周围的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时地下埋管周围的温度升高。

显然，这种温度的升高或降低，对当年采暖（或空调）季的地埋管换热器的传热性能有一定影响。

如果在一年中冬季从地埋管换热器中抽取的热量与夏季向地埋管换热器输入的热量平衡，则地埋管换热器在数年的长时间运行后，地下的年平均温度没有变化，对地埋管换热器的性能没有影响。

但是，在很多情况下，地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。

例如在南方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远小于夏季的空调负荷和空调时间；而在北方情况则相反。

即使建筑物的冷热负荷及热泵冬夏季运行时间相等，注入地下的热量也要大于从地下抽出的热量。

因为前者等于建筑冷负荷加上热泵轴功率，而后者等于建筑热负荷减去热泵轴功率。

在这种情况下，地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷量）就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化，进而影响地埋管换热器的出力。

本项目冷负荷热负荷悬殊较大，热负荷只有冷负荷的一半。

长期运行势必会破环地下土壤的温度平衡。

另外，在地源热泵系统中，由于钻井费用较高，地下换热器的费用是一个不容忽视的问题。

如何以最少的投资费用获得最合理的空调系统，最合理确定地下换热器的数量和利用地下换热器是地源热泵设计的重点。

在本系统中，热负荷不到冷负荷的50％，靠昂贵的地下换热器来满足全部的冷负荷是不经济也是不合理的。

为了最大限度的提高系统的经济性和合理性，本系统的地下换热器按照满足热负荷设计，冷负荷不足部分由水冷螺杆式冷水机组与冷却塔提供。

3、机组选择

在本项目中，采用地源热泵加水冷螺杆的方案，地源热泵满足系统最大热负荷，冷负荷的不足部分有水冷螺杆机组满足。

空调系统为建筑夏季提供7/12℃的冷冻水，冬季提供45/40的空调热水，全年提供45℃的生活热水。

机组选型如下：

1、DRSW-400-2，一台，做为夏季制冷冷源的一部分和冬季供热的热源，制冷量1380kW，制热量为1578.6kW。

2、DRSW-150-1-QH，一台，做为夏季制冷冷源的一部分和冬季供热的热源的一部分，制冷量533.6kW，制热量为607.4kW。

3、RSW-170-1，一台，夏季制冷冷源的一部分，制冷量599kW。

机组总制冷量为2512kW，总制热量1578.6制热水负荷607.4kW，满足该项目制冷、制热及卫生热水要求。

机组参数如下：

DRSW-400-2

DRSW-150-1QH

SRW-170-1

R22

额定制冷量

1380.0

533.6

599

×104kcal/h

118.7

45.9

51.5

额定制热量

1578.6

607.4

×104kcal/h

135.7

52.2

电源

型式

三相五线380V50Hz

控制方式

PLC可编程控制器中文触摸屏智能控制

压缩机

型式

进口半封闭螺杆压缩机

输入

制冷

241.6

91.6

116.0

功率

制热

311.5

118.1

压缩机数量

容量控制

有段或连续容调

冷凝器

型式

卧式壳管式换热器

水压降

kPa

<100

水流量

制冷

m3/h

278.9

107.5

123.0

制热

m3/h

271.5

104.5

进出口管径

150

125

150

蒸发器

型式

卧式壳管式换热器

水压降

kPa

<100

水流量

制冷

m3/h

237.4

91.8

103.0

制热

m3/h

217.9

84.2

进出口管径

150

125

150

制冷剂

种类

R22

充注量

126

105

161

机组噪音

dB（A）

外形尺寸

长

3150

3000

3750

宽

1300

1350

高

2074

1997

2340

机组重量

整机重量

3100

2750

4350

运行重量

3400

3050

4650

注：

（1）制冷标准工况：

蒸发器进水温度12℃，蒸发器出水温度7℃；

地源热泵冷凝器进出水温度25/30℃；水冷螺杆进出水温度30/35℃

（2）制热标准工况：

蒸发器进水温度15℃，蒸发器出水温度约10℃；

冷凝器进水温度40℃，冷凝器出水温度45℃；

4、吸热量、释热量计算

本项目又办公和住宅两部分组成，办公部分最大冷负荷为1901kW，最大热负荷为988kW，根据机组的输入功率计算办公部分夏季最大排热量和冬季最大的吸热量分别为2234kW和794kW；住宅部分最大冷负荷为1551kW，最大热负荷为771kW，根据机组的输入功率计算住宅部分夏季最大排热量和冬季最大的吸热量分别为1551kW和771kW。

综合计算，由于两种功能建筑的负荷曲线变化不一致，存在较大的互补性，改项目设备最大的释热量为2246.8kW，最大吸热量为1756kW（包括卫生热水489kW）。

根据计算，各部分吸热量和排热量如下表所示：

项目

排热（冬季）（kWh）

吸热（冬季）（kWh）

办公

990790

332635

住宅

995109

438207

热水

－－

1022121（全年）

合计

1985899

1792964

吸热量/排热量＝1792964/1985899＝1：

1.08

在本项目中，地源热泵机组的总吸热量比总排热量为1:

1.08，差值小于10％，因此负荷设计要求，不会对地下热平衡造成影响。

5、地下换热器数量计算

（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算

建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。

可以由下述公式[2]计算：

（1）

（2）

其中

——夏季向土壤排放的热量，kW

——夏季设计总冷负荷，kW

——冬季从土壤吸收的热量，kW

——冬季设计总热负荷，kW

——设计工况下水源热泵机组的制冷系数

——设计工况下水源热泵机组的供热系数

在本计算中，机组的

、

是根据机组设计工况下的实际进出水温度对机组的制冷/制热量和输入功率修正后计算出的机组在实际运行中的COP值。

（2）换热器形式

在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。

尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且在该项目中受可利用土地面积的限制，所以采用垂直埋管布置方式。

根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：

（1）U型管

（2）套管型（3）单管型。

套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。

单管型的使用范围受水文地质条件的限制。

考虑到项目的成本、施工难以程度、本项目的地质条件特点，本项目采用竖直双U型埋管的地下耦合换热形式。

埋管参数如下：

孔径110mm，孔深45m，换热管为25mm。

埋孔示意图如右所示。

（3）确定竖直埋孔总井深

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。

根据上述地质材料，利用井深“换热能力”来计算井深。

换热能力即单位垂直埋管深度或单位井深的换热量，本项目采用双U型埋管，设计时根据该地质条件下换热器的换热能力选取单位井深的换热量（单位井深排热量为72W/m，吸热量为55W/m），具体计算公式如下：

（3）

其中

——竖井埋管总长，m

——系统最大排热/吸热量，kW

——是每m井深排热/吸热量，W/m

——水平管路系数，本项目取1.14

（4）确定竖直埋孔总井深

根据上述计算方法计算，按最大排热量需要地下换热器孔数627个，按照最大吸热量需要地下换热器孔数623个。

综合考虑，满足最大的排热量和吸热量，本系统共需地下换热器孔数630个。

地下换热器布置时采用分区布置，各区根据负荷间歇工作。

在本项目中，采用地源热泵与水冷螺杆式冷水机组相结合的组合式能源，不仅有利于地下的热平衡，而且使系统的造价大大降低、运行费用达到最优。

根据计算，本项目共需地下换热器孔数630个，地下排热量比吸热量为1:

1.08。

四、经济技术分析

项目总共投资1760万元，其中空调设备850万元，地下埋管部分650万元，其他材料、人工、税金及工程管理费260万元。

五、进度计划与安排

工作进度

主要工作内容

2008.10～2009.01

桩基、空调地下管预埋

2009.01～2009.12

主体施工、空调主体管道预埋、预设

2010.01～2010.04

空调设备安装调试暨空调末端安装及调试

2010.05

空调验收、交付使用

六、效益分析

6.1夏季制冷折合每平方米运行费用:

7.33元/平方米

6.2冬季供暖运行费用为（包括冬季生活热水、供热负荷运行费）：

折合每平方米运行费用：

5.1元/平方米

6.3过渡季节生活热水运行费用计算：

过渡季节生活热水全年运行费用折合每平方米每年2.3元/平方米·年

6.4运行费用说明

折合全年空调运行单价为：

l2.43元/平方米·年

每户按154平方米/户，则全年每户交生活热水运行费用677.6元/户。

传统形式空调25元/平方米·年，生活热水1500元/户，全年运行费用节省尽一半。

由于地源热泵较高的能效比和节能水泵的运用后，所以保持较低的运行费用；由于各建筑功能不同，间歇运行，相互之间具有互补作用，实际总运行费用可能有所变化。

但是，地源热泵和节能水泵应用后，其环保节能是显而易见的。

七、技术支持

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八、风险分析

地源热泵系统主要风险为冬夏吸热排热量不均衡，地埋管投资大，占地多。

不项目采用地源热泵与水冷螺杆式冷水机组相结合的组合式能源，不仅有利于地下的热平衡，而且使系统的造价大大降低、运行费用达到最优。

九、工程立项批件、土地使用许可证、规划许可证和开发企业资质证明材料

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