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邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

时间:2020-07-13

一、概述


我国能源存储量有限,各种资源短缺而且实际利用效率较低,环境污染不断加剧。特别是近几年的雾霾日益严重,国家开始大力开展大气污染防治工作和蓝天保卫战。严峻的事实表明,中国要走可持续发展道路,节约能源和利用可再生能源刻不容缓。国家也相继出台有关政策,鼓励倡导开发利用新型清洁能源。河北省地矿局第一地质大队积极响应国家节能减排、绿色发展政策,根据省、市强力推进大气污染防治实施意见,于2017年年初拆除了黄粱梦生产基地取暖锅炉。由于邯郸市集中供热未覆盖到基地,而且使用费用也太高,基地200多员工即将面临无暖可取的状况,大队领导创新思路,开始着手进行基地取暖(制冷)改造工程。


二、工程概况


本工程位于邯郸市西北部,西临107国道,北临青兰高速,交通十分便利。属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候,全年平均气温13.5℃,年日照2600小时,年平均风速2.7m/s。最大季节性冻土深度46cm。该工程占地面积共58263m2,其中办公楼、宿舍楼和职工食堂建筑面积4700m2共161间。根据现场房屋布局和地质条件,设计采用地源热泵+落地式风机盘管空调系统。


三、地源热泵发展历程和工作原理

地源热泵工作原理

1、地源热泵发展历程


“地源热泵”的概念,最早在1912年由瑞士的专家提出,而这项技术的提出应用始于英、美两国,上世纪60年代进入中国,但由于经济原因发展缓慢,近些年随着我国对节能减排工作的不断加强,已经进入了快速发展阶段,设备厂家不断增多,新技术不断涌现,大型示范工程也越来越多,整个技术体系已经十分成熟。到2020年我国地源热泵装机容量可以占到全球装机总量的50%。


2、地源热泵工作原理


地源热泵遵循逆卡诺原理,是一种能量提升装置,即工作时消耗很小一部分电能,从低温土壤环境中吸收大量的低温热,通过压缩做功输出高热能,从而将不能直接利用的低温热回收利用起来。冬季,热泵机组从地源中吸收热量,向建筑物供暖;夏季,热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中,实现建筑物供暖或制冷。地源热泵主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀四部分组成。


四、地源热泵系统选型设计


1、工程负荷确定

本建筑为居民建筑,初步设计阶段采用负荷指标法进行系统冷热负荷的估算。建筑面积5000平米以下取标准上限,因此冷负荷指标取110w/m2,热负荷指标取100w/m2

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

由于所有房间同时使用几率不大,考虑同时使用系数的冬夏季负荷如下:

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

地埋管系统设计负荷按冬季和夏季较大者计算。选用2台模块式涡旋地源泵机组,互为备用机。主要设备技术参数为:

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

2、孔数确定

竖埋管管长计算公式:L=Q1’*1000/A
其中L:竖井埋管总长
Q1’:夏季向土壤排放热量
A:夏季每米钻孔的散热量Q1’=Q1x(1+1/COP1)
根据实际工况,按最大散热量计算L=336*(1+1/5.1)*1000/50=8037米
确定竖井数计算公式:N=L/H
其中N:竖井个数
H:竖井深度
L:竖井埋管总长


邯郸地区属于五类地区,设计孔深一般取120米,双U孔数N=8037米/120米=67口。因施工区域场地面积受限,本项目采用了10个高效套管换热器。高效套管的换热量是双U的2.5倍。因此10个高效套管换热器相当于25个双U换热器。所以本项目实际设计10个高效套管地埋孔和42个双U地埋孔。


3、地埋管布置


根据实际地形采用矩形布孔,42个双U地埋孔,两孔间距5米,分5排,每排8孔。所需场地面积为:35米*20米=700m2。10个高效套管地埋孔,两孔间距7米,分2排,每排5孔。所需场地面积为:28米*7米=196m2。实际占地共896m2。同时布置了6个监测孔,用以监测地温变化规律。


五、地源热泵系统施工安装

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

整个施工分为地埋侧、室内末端、机房、控制室四部分。根据《地源热泵系统工程技术规范》,地埋侧施工工艺为:放线—钻机定位—施钻—试压—下管—回填—水平连—试压—回填。热泵机组安装工艺流程为:设备基础验收—设备进场—设备安装就位—找正找平。整个空调系统安装完毕后开始管道冲洗,然后对整个系统管道进行系统打压试验,稳压10分钟,压力下降值不大于0.02MPa。


六、地源热泵和传统空调经济性对比分析


1、地源热泵模式运行成本

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

本项目冷负荷336kw,热负荷296kw;空调系统夏季供冷100天;冬季供热120天。地源热泵机组每天运行24小时,白天平均开机率0.3,夜间平均开机率0.5。邯郸市居民生活峰电价0.5583,谷电价0.3583,峰电8时到21时,谷电21时到次日8时。

夏季运行成本分析

峰电时段单位kwh成本S1=f1/(η1*cop1)=0.5583/(0.95*4.3)=0.137元/kwh
S1--地源热泵每kwh的输出功率的运行成本f1--峰电电价0.5883元/kwh
η1--管网及水泵的输配效率,取95%
cop1--主机效能比,夏季取4.3
谷电时段单位kwh成本
S2=f2/(η2*cop2)=0.3583/(0.95*4.3)=0.088元/kwh

夏季运行成本

S3=S1*W冷*T冷*t峰+S2*W冷*T冷*t谷=0.137*336*100*13*0.3+0.088*336*100*11*0.5=34214元

夏季运行成本34214元/4700m2=7.3元/m2
S2--地源热泵每kwh的输出功率的运行成本
f2--谷电电价0.5883元/kwh
η2--管网及水泵的输配效率,取95%
cop2--主机效能比,夏季取4.3

冬季运行成本分析

峰电时段单位kwh成本

S4=f1/(η1*cop1)=0.5583/(0.95*4.5)=0.13元/kwh

谷电时段单位kwh成本

S5=f2/(η2*cop2)=0.3583/(0.95*4.5)=0.084元/kwh

冬季运行成本

s6=s4*w热*T热t峰+S5*W热*T热*t谷=0.13*296*120*13*0.5+0.084*296*120*11*0.5=46424元

冬季运行成本46424元/4700m2=9.8元/m2

全年运行成本预计共80638元,全年运行费用平均80638/4700=17.1元/m2

2、普通空调运行费用夏季运行成本分析:
S 夏 = W * H * T * D * F

*S=1.2*11*100*0.52*0.65*161=71831元

S夏:夏季运行成本
W:功率
H:每天运行时间
T:运行天数
D:每度电费
F:运行份额
S:空调数量

冬季运行成本分析:

S冬=W1*H1*T1*D*F1*S=1.7*11*120*0.52*0.66*161=123992元

W1:功率
H1:冬季每天运行时间
T1:冬季运行天数
D:每度电费
F1:冬季运行份额
S:空调数量

全年费用合计:71831+123992=195823元

全年节省电费:195823-80638=115185元


七、监测系统

邯郸市综合办公楼地源热泵空调系统设计

地温场温度监测


以2月份监测数据为例


换热孔(工作孔)地温监测:双U工作孔在2月平均温度降低0.30℃,温度变化平稳,幅度小。高效地埋管工作孔2月平均温度降低6℃,变幅较大,分析原因有两方面:1、高效地埋管换热能力强,对地温场影响较大;2、在供热能力达到情况下,高效主机作为备用机,间歇时间相对较长,导致地温变幅较大。


换热孔孔间地温监测:双U孔间监测,距离工作孔3.54m,2月平均温度降低0.3℃,初步说明双U地埋管换热器在工作时影响半径大于3.54m。高效孔间监测,距离工作孔4.95m,2月平均温度降低0.4℃,与高效工作孔温度变化比较,变幅轻微,初步说明高效地埋管换热器在工作时影响半径处于4.95m附近。距离双U地埋管钻孔较远的地方设计一个监测孔,监测地温场的影响半径,该监测孔距离工作孔5m,地温监测变幅0.07℃。距离套管式地埋井工作孔较远的地方设计一个监测孔,监测地温场的影响半径,该监测孔距离工作孔7m,地温监测变幅0.07℃。温度传感器精度±0.08℃。除去传感器精度干扰,可认为双U地埋管换热器工作时影响半径小于5m,高效地埋管换热器在工作时影响半径小于7m。


八、结束语


综上所述,本次地源热泵系统冬季供暖,夏季制冷,一机两用,真正做到了“零能耗、零排放、零污染”。在全市大气污染综合治理工作中率先打造了邯郸市地源热泵系统应用示范工程。不仅解决了广大职工的生产生活条件,而且产生了很好的经济效益和社会效益,经测算每年可节约电费约30万元,减少燃煤310吨,减少CO2排放量800.69吨,SO2排放量5.31吨,氮氧化合物4.96吨,粉尘排放量3.01吨。所以,综合应用前景、环保节能、运行稳定、运行费用低、维护简单方便、使用寿命长等各方面考虑,地源热泵空调系统技术经过多年发展,技术已经相当成熟。地源热泵系统的节能效果也是家喻户晓。无论在先进性还是经济性方面都具有十分明显的优势,集舒适、环保、节能于一体,满足了人们对高品质生活的追求。