地源热泵设计方案.docx

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地源热泵设计方案

地源热泵中央空调方案

XXX环境有限公司

2009年08月28日

一、空调系统方案推荐

（一）工程概况

（二）可用于本项目的空调方案

（三）适用本项目的几类空调方案的比较

（四）选用建议

二、地源热泵推广及选型设计

（一）地源热泵空调系统简介

（二）同方地源热泵机组组特点

（三）空调设备选型设计

（四）地埋管换热系统设计选型

（五）土壤换热平衡的分析

（六）主要设备表、运行费用分析及工程预算

三、地源热泵系统设计与安装

（一）地源热泵系统设计与安装关键

（二）室外地埋管换热系统的主要施工工序及注意问题

（三）室外垂直埋管系统的施工工艺

附件一：

技术支持单位概况

附件二：

相关设计图纸

一、空调系统方案推荐

<一>工程概况

城市：

XXXX

项目名称：

XXX国际精品城1#楼中央空调工程

项目简介：

该建筑集商铺、办公、餐厅、会议为一体多功能国际精品城，建筑面积约8760平方米，空调面积约6473平方米，拟采用地源热泵机组进行夏季供冷，冬季供暖。

室内末端拟用风机盘管系统，局部拟用全空气系统实现室内的冷热需求。

<二>可用于本项目的空调方案

1.冷水机组+燃气锅炉

制冷机采用电制冷（压缩式）冷水机组（1台离心1台螺杆制冷机组）。

夏季制冷，由电制冷（压缩式）冷水机组提供冷源；冬季由工业场地锅炉房（或热电厂）提供的0.6Mpa蒸汽经换热器交换进行空调采暖。

大楼空调系统采用风机盘管加新风系统或全空气处理空调系统。

两套水换热器：

冷凝器、蒸发器；通过冷却塔冷却主机的冷凝器；通过蒸发器为室内末端提供冷冻水。

空调机组只能制冷，冬季采暖需要别的热源。

2.风冷冷水热泵机组

风冷冷水热泵技术是一种消耗少量清洁能源（电），充分利用空气中的冷、热能资源制成冷热水供空调空间使用的空调方式，已经得到了专家、政府和社会各界人士的肯定，风冷热泵作为替代传统空调方式的优选方式之一，已是不争的事实。

空调机组夏季制冷，冬季采暖，冷暖两用型。

3.地源热泵空调机组

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。

其节能性能更优于风冷冷水热泵。

地源热泵机组的运行靠少量的电力来驱动，它的工作原理是通过向机房系统内的热泵机组输入一定电能驱动压缩机做功，使机组中的介质反复发生蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，从而将地源系统中的能量提取和传导到用户系统，实现空间上的热量交换和传递转移。

在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：

1）、室外地能换热系统（地源）

2）、水源热泵机组（机房）

3）、室内采暖空调末端系统（用户）

根据地源热泵空调系统的取热（冷）源方式不同可以分土壤源热泵和水源热泵两种形式：

土壤源热泵是以土壤、岩石等为热（冷）源的空调系统。

在此系统中，地下换热器通常采用承压力性能高、耐腐蚀的PE管，在工程安装时人为的向管内注入自来水，水在管内循环，通过管壁把大地的热量与房间热量相互交换。

这种形式的地源热泵系统具有使用寿命长，不受水源限制的优点。

一个地源热泵项目选用应用形式时应从水源、建筑占地面积、初投资、使用寿命、机组效率等几方面仔细比较，选出最适合自身建筑的空调系统。

地源热泵技术的最大优点主要有以下七点：

环保、节能、运行费用低、维护费用少、一机多用、操控安全、空气品质高。

<三>适用本项目的几类空调方案的比较

280元/m2

300元/m2

360元/m2

25-30元/m2

30-35元/m2

15-25元/m2

<四>选用建议

选用方案一：

水冷机组加锅炉的方案，投资省，夏季运行费用低，但冬季增加辅助供热后运行费用会增高至与风冷热泵持平状态。

且冷却水系统为开式易受污染，运行维护成本高。

选用方案二：

风冷冷水热泵机组方案，投资略高，运行费用略高；但从空气中取热，无污染比较环保。

选用方案三：

地源热泵机组方案，投资略高，运行费用低，和其它空调比可节约30%-40%的运行费用；地下换热器与土壤和岩石进热交换，无污染且不受天气的影响，无冬季除霜造成的供暖量衰减。

综合分析我们推荐用户：

首选地源热泵系统，其初投资虽然略高一些，但与其高节能性及运行稳定性相比还是无可挑剔的，且高出部分的投资会在几年内就可收回。

从本建筑体量上考虑，可选用模块化的地源泵机组较为合式，且机组尽量不占用室内用房面积较为合理。

优选模块式地源热泵，其占用机房体积小。

其次可选风冷模块冷水热泵机组，可冷暖两用且不需要机房，只要置于屋面上即可。

随着空调工业的发展，先进的中央空调系统不断的出现，空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。

人们对空调的要求也不断提高，节能、环保、灵活成为今后共同追求的目标。

近年来，随着国际经济技术合作的不断深入，地源热泵中央空调系统进入了我国，并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇，成为了我国中央空调发展的趋势，体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。

美国环境保护局已经宣布，地源热泵系统是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。

地源热泵是利用地表层土壤、岩层、地下水、江河湖海中获取能量的供热、制冷机组。

该热泵耗1KW的电能，可以获得了4KW左右的热量。

低温地能指的是地壳表层10-100M深处（一般在7℃－20℃左右）土壤层中所含能量，由于地壳质量巨大，其热能量是源源不断的，永不枯竭的。

可广泛应用于全国各地的集中或分散供热采暖及制冷、热水供应、洗浴、游泳、室内种植、养植等。

二、地源热泵推广及设计选型

（一）水/地源热泵空调系统简介

1、背景

环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题，如何在享受的同时付出最少的代价逐渐成为人类的共识，在这种背景下以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生。

尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向，开发利用天然的冷/热源能够为空调带来节能和环保双重效益，因而越来越受到人们的重视。

地下土壤层是一个巨大的天然热源，其热惰性极大，全年的温度波动很小，一般说来，地表50m以下可常年维持在该地区年平均温度左右，是一种理想的天然冷热源。

2、水/地源热泵简介

水/地源中央空调系统是一种从地下土壤/地下水中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热（冷）系统。

该系统是成熟的热泵技术、暖通空调技术配套地质勘察成井技术于一体，在相对稳定的土壤温度下高效、稳定、经济的运行。

地源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统、地源中央空调主机（又称为地源热泵）系统和地埋管或井水换热系统三部分组成。

为用户供热时，水/地源中央空调系统从土壤/地下水中提取低品位热能，通过电能驱动的地源中央空调主机（热泵）“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。

为用户供冷时，中央空调系统的冷凝热量通过地源中央空调主机（制冷）转移到土壤/地下水中，以满足用户制冷需求。

水/地源热泵是利用了大地土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。

地表土壤不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和地下水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。

这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能或地能成为可能。

所以说，地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。

3、地源热泵中央空调系统的工作原理图

 4、地源热泵特点

环保洁净

1.没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，社会效益显著。

2.以地表土壤为源体，向其吸收或放出能量，介质水在埋设于土壤中的密闭系统中循环，即不消耗地下水资源，也不会对其造成污染。

3.省去了锅炉房供暖系统和夏季空调运行的冷却塔。

节能经济

4、能源利润率为传统方式的3—4倍，投入1KW的电能可得到4—5KW以上的制冷或供热的能量。

灵活安全

✧真正做到“一机两用”。

利用地下土壤热能，热泵冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，提高了设备的利用率。

✧机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。

系统末端亦可作多种选择。

✧无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。

✧机组运行自动化程度高，无需专业人员操控。

运行可靠

机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响（土壤恒温）。

即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。

地源热泵的优点分析

◇高效供热系数可高达4.3（正常为3.5-4.5），即输入1KW电能可产生4KW的热量。

◇运行费用低比燃煤采暖还便宜，因为利用地下土壤、岩层、地下水、江河湖海中的热能占总热量的70-75%。

就是说，机组在制热过程中，有70-75%的燃料是不用花钱的。

每平方米建筑面积供暖运行费只有11.37元，若按22元/m2收费标准计算，1万平方米的建筑，一个采暖期可节省采暖费10万元左右。

◇无任何污染由于该机组在制热过程中无任何燃烧。

１万平方米的建筑物一个采暖期，即可节煤350吨，可减少烟气排放量385万立方米。

◇占地面积小地源热泵机组占地面积为锅炉用地的1/10-1/15。

以一个10万平方米

小区为例，机房面积仅100平方米就足够用，而建锅炉房则需占地至少1000平方米。

对3.5万平方米以上的小区，可省出一栋楼的位置，可建2000－5000平方米的住宅，其剩余价值足够安装使用地源热泵供暖系统的费用。

5、地源热泵中央空调的应用前景

1）.本项目是一种利用低位能源（空气、土地、水、太阳能、工业废热等）代替高位能源（煤、石油、电能等）以实现节能目的的高新技术。

由于其所具备的高热能转换效率（1：

4），无污染，运行成本低，便于物业管理，系统使用寿命长等特点，备受世界能源、环保组织和发达国家推崇，并被市场广泛接受。

自八十年代以来，年增长率一直保持在20%以上。

如美国，85年只有14000台水/地源热泵，99年末统计，已安装了400000台。

水/地源热泵系统已占空调总保有量的20%，其中新建筑中占30%。

由此可降低温室气体1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放，年节约能源费用达4.2亿美元。

美国的水/地源热泵研究和应用偏重于住宅和商业小型系统（60KW以下）。

而中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家则偏重于大型机组。

据99年统计，水/地源热泵在新建房屋中的利用率，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。

2）.在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。

中国经济在保持较高速度增长的同时,必须考虑环保和可持续发展问题。

所以要求提高能源利用率，要求能源结构调整。

调整能源结构的方向就是从以煤为主转为以燃气、电为主。

国家建设部1999年提出在10年内建筑节能效率要在现有基础上提高50%；北京市政府已明令在四环以内，撤掉所有燃煤锅炉，在三年内改造1000万平方米建筑取暖方式，使用清洁能源。

我国目前集中供暖单位建筑面积平均能耗是气候相近发达国家的2-3倍。

3）.据调查统计，我国住宅空调安装率迅速增长。

上海居民住宅空调拥有率已超过60%，北京34%，城镇居民拥有率20%，空调成为冰箱、彩电后普及的又一种主要家电。

这样，对于黄河、长江中下游地区的城市，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要满足统一考虑采暖和空调需求的综合性问题。

为此，采用具有诸多优势的地源热泵方式将成为这种需求最具竞争力的建筑供热空调方式。

6、政府支持

地源热泵空调系统在北美和欧洲取得了迅速发展。

瑞士96%新居民住宅和50%新建筑都安装了地源热泵系统。

在加拿大、意大利、奥地利、瑞典，地源热泵系统都有广泛的应用。

热泵系统可以运行30年到50年不出问题。

到目前为止，美国的热泵已经成功运行了50年，而且还在继续运转。

意大利、瑞士都用了30年也没出问题。

由此可见，地源热泵中央空调应用技术十分成熟，节能、环保效益显著。

因此，我国政府对此给予高度的重视和政策支持：

国发〔2007〕17号国务院关于印发中国应对气候变化国家方案的通知：

“积极推进地热能和海洋能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术，研究开发深层地热发电技术；在浙江、福建和广东等地发展潮汐发电，研究利用波浪能等其他海洋能发电技术。

”

建设部贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》加快创新能力建设促进建设事业又好又快发展：

“积极推进“可再生能源在建筑中推广应用项目”的实施，开展太阳能光热、光电、地源热泵和水源热泵规模化应用的城市级示范，带动具有自主知识产权的相关技术集成与开发及相关产业的发展。

”

北京市“十一五”时期能源发展及节能规划

“积极推广热泵、分布式能源等新技术供热，实现可再生能源供热面积4000万平方米，约占全市总供热面积的6%，其中地热采暖500万平米、地源热泵采暖3500万平方米。

”

同时，北京市政府为了支持鼓励应用地源热泵采暖技术，制定了相应的奖励政策：

（京发改〔2006〕839号）关于发展热泵系统的指导意见：

“按照我市能源发展战略、城市供热发展规划和合理开发、利用、保护资源的原则，优先发展再生水源热泵，积极发展地源热泵，适度发展地下（表）水源热泵，逐步提高热泵系统在城市供暖中所占比例。

供热制冷系统选用热泵系统的，根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为：

地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。

”

7、结束语

地源热泵采暖技术在发达国家已经有了几十年成功应用的历史，我国引进并成功应用此项技术也有二十多年的历史。

近几年，随着我国经济的不断发展，能源需求以及环境保护的要求越来越多地引起社会的广泛关注以及政府的高度重视。

节能减排已经成为我国政府促进经济发展的核心问题。

据统计，我国建筑能耗占全社会终端能耗的21%，因此建筑节能具有巨大的节能潜力。

而地源热泵中央空调采暖技术作为高效节能的成熟技术在建筑节能领域有着举足轻重的地位。

到目前为止，北京市已经有500万平方米的建筑采用了地源热泵中央空调采暖，距北京市“十一五”时期能源发展及节能规划中要求的3500万平方米的目标还有很大的差距。

因此地源热泵中央空调采暖技术的推广应用有着广阔的市场前景。

（二）XX地源热泵机组特点

本项目用SGHP螺杆式高效地源热泵机组特点

1.1

完全遵照国际标准，结合中国国情设计，结构紧凑，占地小，安装简便。

冷媒系统的设计采用独立的模块化思想，系统部件数量少而品质精良。

能效比高。

冬季制热工况，能效系数COP值（供热量与输入功率的比值）约为4.0—4.6之间；夏季制冷工况，能效系数COP值（制冷量与输入功率的比值）约为5.5—7.2之间。

计算机辅助最优设计，保证机组在任何工况下均处于最佳运行状态。

机组具有压缩机排气超温、电机超温、冷水防冻温度保护；过电流、缺相、逆相、过载电气保护；冷媒系统高低压、油位、油压差、断水异常状态保护等多重保护功能。

1.2

A、压缩机：

压缩机选用进口品牌螺杆压缩机。

具有特殊高效的制冷能力和COP值以及更长的运行寿命。

单台压缩机累计运行时间不低于60000小时。

采用经多年验证的高质量材料和零件，结构可靠耐用；并且安全保护功能完备。

使用R22制冷剂。

B、壳管换热器：

壳管换热器是XX与国内著名专业配套厂商（上海环球）共同开发研制，专门为XXSGHP水源中央空调机组特殊设计生产。

其特点是：

换热器换热效率高（换热效率比同类产品高20~30%），能适应恶劣的水路环境，便于拆洗维护。

制冷剂侧和水侧阻力损失小，结构紧凑，筒体采用优质钢板卷筒焊接而成，承压能力高，气密性好，运行安全可靠、高效。

蒸发器、冷凝器、管路等外包软质闭孔橡塑绝热保温材料，有效地防止了蒸发器和机房外界空气的传热，降低了能量损耗。

C、制冷管路配件

制冷配件选用世界著名制冷配件厂商生产的产品，性能稳定，可靠性高。

（1）制冷管路配件

使用范围广，安装方便快速。

管道与感温包之间传热良好、热平衡冲注，功能稳定，结构紧凑。

钎焊焊接接口：

一体式热力执行元件、最佳密封效果。

激光焊接的不锈钢感温元件：

保证最佳调节功能、动作迅速、膜片寿命长、耐压强度高、耐腐蚀。

双平衡阀口设计，宽广的负荷为蒸发温度，冷凝温度范围提供准确可靠的控制，特别适合夏季制冷、冬季制热的水源中央空调

（2）干燥过滤器

干燥过滤器选用高效过滤芯，对系统内的水分和酸性物质具有极强的吸收能力，保证整个系统安全、可靠的运行。

视镜—准确的水分显示，采用玻璃整体焊接，不存在泄露问题指示剂对水和酸性物质具有抗腐蚀性，因此使用寿命长，压力损失小。

（3）电磁阀

阀体结构紧凑，体积小。

直接导通，动作快捷，无须外力引导。

工作压力范围广，制冷剂经过该阀时压力损失小。

性能可靠，使用寿命长。

1.3

水地源热泵机组电控部分主要部件均来自国际名牌供应商，性能稳定，可靠性高。

例如：

接触器为法国施耐德，母线式刀熔开关为德国维那尔鑫宝，接线端子为德国凤凰端子。

机组的核心控制部分为我公司与意大利CAREL公司联合开发的水源热泵专用控制器，其中硬件部分使用CAREL公司成熟的PCO系列微电脑控制器，结合我公司自己开发的水地源热泵专用控制程序使机组在智能化和网络化方面优于其它同类机组。

本控制器主要具有以下特点：

1）先进的输入输出口管理。

控制器具有8路模拟量，12路开关量输入；13路开关量，2路模拟量输出。

可检测和控制机组的各种工作状态。

2）完善的信息显示。

控制器采用LCD液晶显示屏，可以显示每台机组的工作状态、测量参数、报警信息、维护信息以及各种内置参数的设定等。

全部显示均为文字信息，清晰直观。

3）灵活方便的参数设置。

控制器具有八十多个可以改变的内置参数，通过这些参数的设定可随时调整机组的工作状态，以使机组更加适应用户的现场需要。

4）先进的口令操作管理。

控制器具有三级口令操作，针对不同的对象限定了不同的操作权限，以确保机组不会因误操作而损坏。

5）可方便的升级为网络控制管理。

当有多台机组时，利用控制器的网络管理功能可以方便的构成一个局域网系统。

使整个系统可以由一个或几个手操器控制，从而使多机系统具有了轮值，备份及远程控制等先进功能。

还可以连接网络打印机随时记录各种所需信息。

6）可简便的接入小区智能监控系统（BMS）。

通过控制器的网络功能可以组成集中控制和远程控制系统，实时监视设备的运行状态。

这些设备可以是本地的也可以是异地的（通过调制解调器和公共电话交换网）。

通过相应的附件可以将这些数据转换为与大多数的楼宇控制系统相兼容，从而可方便的接入楼宇控制系统。

1.4

由于XX水地源热泵机组的合理的优化设计，精良选料，以及先进的控制技术，完善的电脑控制和多重保护，使得整机运行安全可靠。

使用寿命可达15年以上。

（三）空调设备设计选型

1、冷热负荷的确定

该建筑总空调面积约6473m²，根据本地区的气候特点，参考暖通空调设计手册中对不同建筑类型冷热负荷所要求的建筑负荷指标，负荷计算如下表：

房间

面积m2

负荷指标W/m2

负荷W

一层

商铺1

40

160

6400

商铺2

34

160

5440

商铺3

35

160

5600

商铺4

36

160

5760

商铺5

36

160

5760

商铺6

37

160

5920

商铺7

26

160

4160

商铺8

26

160

4160

商铺9

26

160

4160

商铺10

26

160

4160

商铺11

26

160

4160

商铺12

26

160

4160

消防监控

26

140

3640

管理用房

26

140

3640

大厅

238

180

42840

合用前室

16

100

1600

二层

休息茶座

180

130

23400

厨房

470

250

117500

管理用房

26

140

3640

三层

职工餐厅

470

250

117500

管理用房1

26

140

3640

管理用房2

7

140

980

合用前室

16

100

1600

四层

职工餐厅

496

250

124000

合用前室

16

100

1600

管理用房

7

140

980

五层

办公1

35

150

5250

办公2

30

150

4500

办公3

32

150

4800

办公4

33

150

4950

办公5

33

150

4950

办公6

33

150

4950

办公7

27

150

4050

办公8

28

150

4200

办公9

28

150

4200

办公10

28

150

4200

办公11

28

150

4200

办公12

28

150

4200

办公13

28

150

4200

办公14

27

150

4050

管理用房

7

140

980

六至十四层

公寓式办公1

29

150

4350

公寓式办公2

25

150

3750

公寓式办公3

27

150

4050

公寓式办公4

28

150

4200

公寓式办公5

28

150

4200

公寓式办公6

28

150

4200

公寓式办公7

23

150

3450

公寓式办公8

23

150

3450

公寓式办公9

23

150

3450

公寓式办公10

23

150

3450

公寓式办公11

23

150

3450

公寓式办公12

23

150

3450

公寓式办公13

23

150

3450

公寓式办公14

22

150

3300

管理用房

7

140

980

十五层

会议室

426

230

97980

管理用房1

26

140

3640

管理用房2

7

140

980

经我司众多工程案例经验总结，考虑建筑房间的同时使用系数0.7-0.8，确定设计供冷总负荷为863kW，设计供热总负荷为690kW。

2、热泵机组的确定

结合空调总冷负荷863kW，总热负荷690kW，本建筑体的使用特性为同时空调使用率低的特点及清华同方地源热泵机组特点，考虑选用2台SGHP350L螺杆式高效地源热泵机组对该建筑物提供冷暖。

地源热泵机组性能参数

型号

项目

SGHP350L

制冷工况

名义制冷量kW

424

输入功率kW

86

蒸发器

冷水进/出水温度℃

12/7

冷水流量m3/h

73

冷