某綜合樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計_吳芳.pdf

圖1辦公樓外觀 垂直埋管 摘要 介紹了某綜合樓運用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 從初投資和運行費用方面將地源熱 泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水冷螺桿機組 燃氣鍋爐系統(tǒng)進行了比較 分析了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的 地域和節(jié)能優(yōu)勢 關(guān)鍵詞 地源熱泵 頂棚輻射 水環(huán)熱泵 經(jīng)濟性分析 節(jié)能 G r o u n d S o u r c eH e a t P u mpA i rC o n d i t i o n i n gD e s i g no f aC o mp l e xB u i l d i n g B yWuF a n g A b s t r a c t P r e s e n t st h e g r o u n d s o u r c e h e a tp u m p a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m i n t h i s b u i l d i n g a n d c o m p a r e si tw i t h t h ec o n v e n t i o n a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m o fr o t a r y s c r e w c h i l l e rR a d i a n tC e i l i n g Wa t e r L o o p H e a tP u m p E c o n o m i cA n a l y s i s E n e r g yE f f i c i e n c y 上海建筑設(shè)計研究院有限公司海南分院吳芳 某綜合樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計 作者簡介 吳芳 女 學(xué)士 2 0 0 0年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué) 原哈建大 供熱空調(diào)與燃氣專業(yè) 工程師 在讀工程碩士 S h a n g h a iE n e r g y 節(jié) 能 技 術(shù) 4 8 上海節(jié)能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 1工程概況 某綜合樓地處華東 屬夏熱冬冷地區(qū) 建筑物 為地下2層車庫 地上3層裙房和1 6層主樓辦公 區(qū) 總建筑面積約3 4 0 0 0 m 2 高度約7 5 m 大家知道 3 m以下的土壤溫度 全年較為穩(wěn) 定 接近年平均氣溫 一般為1 0 2 5 地源熱泵的 制冷 制熱系數(shù)可達3 5 4 4 與空氣源熱泵相比 要高出4 0 左右 其運行費用僅為普通中央空調(diào) 的3 0 5 0 地源熱泵空調(diào)不需鍋爐房 煙囪及鍋爐燃料供 應(yīng)系統(tǒng) 增加了建筑的使用面積 減少了日常運行 維護費用 需要經(jīng)常保養(yǎng)的僅是空氣過濾網(wǎng)和凝結(jié) 水盤的清潔 無廢水廢氣排放 噪聲低 提高了環(huán)保 效果 水環(huán)路熱泵 Wa t e r L o o pH e a tP u mp 簡稱 WL H P 空調(diào)系統(tǒng) 當(dāng)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供 熱時 內(nèi)區(qū)的熱量 就可被周 邊 區(qū) 所 利用 即內(nèi)區(qū)空調(diào) 的排熱與 周 邊 區(qū) 供熱所需 熱 量 接 近平衡時 室外的 冷熱源可以停運 這種供冷 供 熱 同 時進行 能量在建 筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移 運 行費用最少 節(jié)能 效果明顯 圖2主樓辦公區(qū)空調(diào)系統(tǒng)原理圖圖3裙房商業(yè)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)原理圖 空調(diào)區(qū)域 主樓辦公區(qū) 裙房商業(yè)區(qū) 合計 空調(diào)面積 m 2 1 1 0 0 0 7 2 0 0 1 8 2 0 0 冷負荷 k W 1 2 5 0 1 9 0 0 3 1 5 0 熱負荷 k W 8 8 0 8 3 0 1 7 1 0 熱泵機組數(shù)量 臺 2 地源熱泵 1 0 1 水環(huán)熱泵 1 0 3 表1空調(diào)設(shè)計總負荷 空調(diào)區(qū)域 辦公 商業(yè) 門廳 走道 會所 溫度 2 5 2 5 2 6 2 6 2 5 相對濕度 5 5 6 0 6 0 6 0 5 5 冬季設(shè)計 溫度 2 0 2 0 1 8 1 8 1 8 新風(fēng)量 m 3 人 h 3 5 2 0 2 0 A聲級噪聲標準 d B 5 0 5 5 5 5 5 5 5 5 夏季 表2室內(nèi)設(shè)計參數(shù) S h a n g h a iE n e r g y 節(jié) 能 技 術(shù) 4 9 上海節(jié)能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 綜上所述 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能 效果和環(huán)保效果 值得在本工程中應(yīng)用 2空調(diào)區(qū)域主要技術(shù)指標 見表1 表2 3空調(diào)系統(tǒng) 主樓辦公區(qū)采用垂直地埋管地源熱泵空調(diào) 頂 棚輻射進行供冷和供暖 裙房商業(yè)區(qū)采用水環(huán)熱 泵 冷卻塔 地埋管的復(fù)合型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 該 綜合樓外觀見圖1 系統(tǒng)工作原理見圖2和圖3 3 1冷熱源設(shè)備 根據(jù)負荷計算結(jié)果 主樓辦公區(qū)選用兩臺 MWH 1 8 0 C B型土壤源熱泵機 組 每 臺 制 冷 量 6 2 6 k W 制熱量4 9 4 k W 并采用頂棚輻射供冷和供 暖 夏季由地源提供冷水 一路經(jīng)過板式換熱器提 供樓板埋管用水 空調(diào)供回水溫度1 7 2 1 另 一路直接提供屋頂新風(fēng)機組 夏季新風(fēng)空調(diào)機組供回水溫 7 1 2 冬季由地源提供 熱水 冬季樓板埋管空調(diào)供回 水溫度2 9 2 5 冬季新風(fēng) 空調(diào)機組供回水溫度3 5 3 0 夜間低電費時間熱泵機 組運行供樓板埋管系統(tǒng)預(yù)冷 建筑并蓄冷于樓板 峰值負荷 時機械制冷輔以樓板釋放冷 量 低值負荷時樓板預(yù)冷蓄 冷 滿足空調(diào)夏季熱平衡 裙房商業(yè)區(qū)采用復(fù)合型 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 夏季極端 季節(jié)以地埋管散熱為主 閉式 冷卻塔輔助散熱 主機采用分散式水環(huán)熱泵機組 吊裝于各商業(yè)用房內(nèi) 水環(huán)熱泵機組夏季冷卻水供 回水溫度3 5 3 0 3 2室外土壤換熱系統(tǒng) 本設(shè)計采用垂直埋管系統(tǒng) 由專業(yè)廠家對項目 區(qū)域進行地質(zhì)勘查 并進行土壤的熱物性測試 根 據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況 測井資料以及區(qū)域地質(zhì)和水文條 常規(guī)空調(diào) 1 水冷式冷水機組3臺 制冷量 1 0 5 0 k W 輸入功率 2 1 5 k W 2 冷凍水循環(huán)泵3臺 1 8 2 m 3 h 3 0 k W 3 冷卻水循環(huán)泵3臺 2 2 0 m 3 h 4 5 k W 4 熱水循環(huán)泵 變頻控制 3臺 1 6 0 m 3 h 3 0 k W 5 水 水板式熱交換器1臺 熱交熱量 1 8 0 0 k W 6 常壓燃氣熱水鍋爐3臺 制熱量1 8 MW 天然氣耗量 2 2 0 N m 3 h 7 冷卻塔 冷卻水流量 2 2 0 m 3 h 3臺 配電功率 1 0 k W 3臺 地源熱泵空調(diào) 1 地源熱泵機組2臺 制冷量 6 2 6 k W 輸入功率 6 2 6 k W 2 冷凍塔散熱1臺 冷卻水流量 3 0 0 m 3 h 配電功率 2 7 k W 3 空調(diào)循環(huán)冷水泵6臺 此處略 4 冷卻水循環(huán)泵1臺 3 0 0 m 3 h 3 5 m 4 5 k W 5 水 水板式熱交換機組1套 熱交熱量 4 5 0 k W 6 臥式整體水環(huán)熱泵及 整體水環(huán)熱泵新風(fēng)機組 共1 0 1臺 此處略 7 閉式膨脹罐定壓補水系統(tǒng) 1套工程 常壓罐容積1 0 0 0 L 3 k W 備注 1 地源熱泵設(shè)計運行工況 制冷時負荷側(cè)1 2 7 地源側(cè)2 5 3 0 制熱時負荷側(cè)4 0 4 5 地 源側(cè)1 0 5 2 螺桿式冷水機組工況 冷卻水3 2 3 7 冷凍水 1 2 7 表3兩種空調(diào)方案冷熱源設(shè)備配置表 S h a n g h a iE n e r g y 節(jié) 能 技 術(shù) 5 0 上海節(jié)能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 件情況 運用專業(yè)設(shè)計計算軟件選擇室外換熱管長 度和數(shù)量 考慮了一定的裕量后共設(shè)置了2 3 2組 垂直U型換熱管 埋深8 0米 3 3室內(nèi)末端風(fēng) 水系統(tǒng) 辦公和商業(yè)兩個區(qū)域需要獨立管理 空調(diào)水系 統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)均分別設(shè)置兩個系統(tǒng) 裙房商業(yè)各區(qū)域采用吊裝式水環(huán)熱泵空調(diào)機 組 新風(fēng)預(yù)處理機組 主樓辦公區(qū)采用頂棚輻射 置換式新風(fēng)系統(tǒng) 夏季輻射管網(wǎng)中通入循環(huán)冷水 帶走室內(nèi)顯熱 冬 季通入循環(huán)熱水 帶走室內(nèi)部分負荷 置換式新風(fēng) 系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)潛熱負荷 采用轉(zhuǎn)輪式全熱回收新風(fēng) 機組 地板送風(fēng) 從走道天花排風(fēng) 頂棚輻射為樓板 埋管 參見圖4 4地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與水冷螺桿冷水機組 燃油 鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較 目前 國內(nèi) 大中型建筑的中 央空調(diào)冷熱源 仍 以 冷 水 機 組 鍋爐 形式 為主 在夏熱冬 冷地區(qū) 這種形 式的空調(diào)系統(tǒng)運 行效率高 空調(diào) 效果好 但運行 能耗不小 現(xiàn)針 對本項目 將地 源熱泵空調(diào)方案 與常規(guī)的以 冷 水機組 鍋爐 為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能性與經(jīng) 濟性方面作一比較 4 1兩種空調(diào)方案的冷熱源設(shè)備配置 見表3 圖4頂棚輻射樓板埋管示意圖 常規(guī)空調(diào) 夏季運行費用 冬季運行費用 維護費用 合計 地源熱泵空調(diào) 5 0 3 2 2 8 4 備注 3 5 2 3 2 6 0 表4兩種空調(diào)方案冷熱源運行費用比較 單位 萬元 S h a n g h a iE n e r g y 節(jié) 能 技 術(shù) 5 1 上海節(jié)能 S H A N G H A I E N E R G Y 2 0 0 8年第2期 4 2兩種空調(diào)方案的初投資比較 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資約為4 4 0萬元 其 中地源熱泵約2 6 0萬元 包括室外地埋管 鉆孔及 土方等費用 循環(huán)水泵約7萬元 冷卻塔約3萬元 臥式整體水環(huán)熱泵約1 5 0萬元 其他約2 0萬元 常規(guī)的 冷水機組 鍋爐 空調(diào)系統(tǒng)的初投資 約為3 8 7萬元 其中冷水機組約1 7 0萬元 循環(huán)水 泵約1 0萬元 冷卻塔約7萬元 燃氣熱水鍋爐約 1 8 0萬元 其他約2 0萬元 由上述內(nèi)容可知 與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比 地源 熱泵空調(diào)系統(tǒng)增加的初投資成本為4 4 0萬元 3 8 7 萬元 5 3萬元 末端視為相同部分 本文不作比較 4 3兩種空調(diào)方案的運行費比較 假設(shè)空調(diào)年供冷運行時間共1 2 0 0小時 年供 熱運行時間共9 6 0小時 設(shè)供冷和供熱在1 0 0 7 5 5 0 和2 5 負荷下的運行時間分別占總時 間的1 0 3 0 5 0 和1 0 可計算出空調(diào)系統(tǒng) 冷熱源設(shè)備年運行費用 如表4所示 注 由于本項目未建成 兩種空調(diào)方案的運 行費用目前均為估計值 能源價格按當(dāng)?shù)厥袌鰞r格 電價0 7 9 8元 k Wh 加權(quán)平均值 天然氣2 8 0元 m 3 末端視為相同部分 本文不作比較 由表4可知 兩者運行費用相差約為 8 4 6 0 2 4萬元 年 地源熱泵系統(tǒng)的簡單回收期 2 2 1年 地源熱泵機組設(shè)計使用年限2 0年 室外地埋 管設(shè)計使用年限7 0年 系統(tǒng)運行2 0年節(jié)約的費 用為 2 4萬元 年 2 0年 4 8 0萬元 5自動控制 5 1主樓辦公區(qū)水泵控制方式 根據(jù)負荷變化 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)壓差旁通閥進行 地源熱泵臺數(shù)控制 5 2裙房商業(yè)區(qū)水泵控制方式 1 空調(diào)季節(jié) 根據(jù)水環(huán)熱泵負荷最不利環(huán)路 側(cè)壓差 先控制冷卻塔開啟和變頻運轉(zhuǎn) 當(dāng)冷卻水 泵停止時 控制地源熱泵變頻運轉(zhuǎn) 2 過渡季節(jié) 根據(jù)水環(huán)熱泵負荷最不利環(huán)路 側(cè)壓差 先控制地源側(cè)水泵開啟和變頻運轉(zhuǎn) 當(dāng)?shù)?源側(cè)水泵停止運行時 控制冷卻塔水泵變頻運轉(zhuǎn) 5 3轉(zhuǎn)輪式全熱回收新風(fēng)機組 1 空調(diào)季節(jié) 開啟轉(zhuǎn)輪式熱交換器 回收排風(fēng) 中的全熱負荷 2 過渡季節(jié) 關(guān)閉轉(zhuǎn)輪式熱交換器 開啟相應(yīng) 新排風(fēng)旁通風(fēng)閥 并在空調(diào)箱的混合段后設(shè)置空氣 凈化器 6結(jié)論 1 以地處華東地區(qū)的某綜合樓為例進行經(jīng)濟 技術(shù)分析的結(jié)果表明 采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 部 分室內(nèi)機采用水環(huán)熱泵機組 比采用普通的水冷冷 水機組 鍋爐的空調(diào)系統(tǒng)初投資增加約1 4 年運 行費用節(jié)約2 9 左右 簡單的回收期為2 2年 2 地源熱泵的應(yīng)用還存在諸如其效果受土壤 或巖石特性影響較強 初投資較高 缺少針對土壤 熱物性參數(shù)的研究成果 缺少最佳匹配參數(shù) 缺少 動態(tài)特性研究等方面的影響因素 需要設(shè)計人員在 工程設(shè)計中多積累多思考 將技術(shù)的可靠性和節(jié)能 性 環(huán)保性有效地結(jié)合起來 參考文獻 1 呂悅等 國內(nèi)地源熱泵應(yīng)用情況調(diào)查報告 工程建設(shè)與設(shè)計 2 0 0 5年第6期 2 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 中華人民共 和國國家標準G B 5 0 3 6 6 2 0 0 5 2 0 0 5 3 徐偉等譯 地源熱泵工程技術(shù)指南 北京 3月2 1日上午 上海市能源研究會和上海 科學(xué)院邀請國際能源署 I E A 中國能源項目經(jīng) 理辛頓博士和能源經(jīng)濟分析處的陳小寶研究員 在科學(xué)會堂作了 世界能源展望2 0 0 7 中國和 印度的探索 的報告 會議由中國工程院院士 上海市能源研究會理事長翁史烈主持 出席的上 海代表4 5人 江蘇和浙江的能源研究會秘書長 也參加 辛頓博士和陳小寶研究員就世界能源 發(fā)展形勢 中國和印度的探索 用大量的數(shù)據(jù) 和圖表進行了講解 報告中談到 世界經(jīng)濟的增 長速度從2 0 0 5年的4 9 上升到了2 0 0 6年的 5 5 這一增長主要是由發(fā)展中國家拉動的 中 國和印度成為主要的推動力量 中國G D P增長 1 1 1 印度G D P增長9 7 2 0 0 5年 中國已 經(jīng)成為世界上僅次于美國和日本的第三大石油 進口國 在2 0 0 6年的石油消費量中 進口量接 近消費量的一半 到2 0 3 0 凈進口量凈將占總需 求的8 0 中國所面臨能源政策挑戰(zhàn)在很大程 度上是由國家的社會經(jīng)濟政策目標決定的 其 中最重要的就是需要以更公平 更具環(huán)境可持續(xù) 性的方式保持經(jīng)濟快速發(fā)展和國民產(chǎn)出增長 只 有這樣才能使能耗強度低于目前水平 采用一 定的數(shù)學(xué)模型對中國未來的能源需求進行了預(yù) 測 到2 0 3 0年 中國的一次能源需求量將從 2 0 0 5年的1 7 4 2億噸標準油攀升到3 8 1 9億噸 標準油 年均增長率為3 2 到2 0 3 0年中國的 煤炭凈進口量將占到其總需求的3 占全球煤 炭貿(mào)易的7 石油凈進口量將占總需求的 8 0 2 0 1 0年之后不久 中國將超過美國成為世 界上第一大能源消費國 印度的能源消費同樣 處于快速增長期 2 0 0 5年 一次能源需求量為 5 3 7億噸標準油 煤炭占3 9 石油占2 4 到 2 0 3 0年將達到1 5 0 4億噸標準油 年均增長 4 2 中國和印度經(jīng)濟的快速發(fā)展 勢必推動全 球的能源需求 但同時也為全球其他地