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        邯鄲市綜合辦公樓地源熱泵空調系統設計

        時間:2020-07-13

        一、概述


        我國能源存儲量有限,各種資源短缺而且實際利用效率較低,環境污染不斷加劇。特別是近幾年的霧霾日益嚴重,國家開始大力開展大氣污染防治工作和藍天保衛戰。嚴峻的事實表明,中國要走可持續發展道路,節約能源和利用可再生能源刻不容緩。國家也相繼出臺有關政策,鼓勵倡導開發利用新型清潔能源。河北省地礦局第一地質大隊積極響應國家節能減排、綠色發展政策,根據省、市強力推進大氣污染防治實施意見,于2017年年初拆除了黃粱夢生產基地取暖鍋爐。由于邯鄲市集中供熱未覆蓋到基地,而且使用費用也太高,基地200多員工即將面臨無暖可取的狀況,大隊領導創新思路,開始著手進行基地取暖(制冷)改造工程。


        二、工程概況


        本工程位于邯鄲市西北部,西臨107國道,北臨青蘭高速,交通十分便利。屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候,全年平均氣溫13.5℃,年日照2600小時,年平均風速2.7m/s。最大季節性凍土深度46cm。該工程占地面積共58263m2,其中辦公樓、宿舍樓和職工食堂建筑面積4700m2共161間。根據現場房屋布局和地質條件,設計采用地源熱泵+落地式風機盤管空調系統。


        三、地源熱泵發展歷程和工作原理

        地源熱泵工作原理

        1、地源熱泵發展歷程


        “地源熱泵”的概念,最早在1912年由瑞士的專家提出,而這項技術的提出應用始于英、美兩國,上世紀60年代進入中國,但由于經濟原因發展緩慢,近些年隨著我國對節能減排工作的不斷加強,已經進入了快速發展階段,設備廠家不斷增多,新技術不斷涌現,大型示范工程也越來越多,整個技術體系已經十分成熟。到2020年我國地源熱泵裝機容量可以占到全球裝機總量的50%。


        2、地源熱泵工作原理


        地源熱泵遵循逆卡諾原理,是一種能量提升裝置,即工作時消耗很小一部分電能,從低溫土壤環境中吸收大量的低溫熱,通過壓縮做功輸出高熱能,從而將不能直接利用的低溫熱回收利用起來。冬季,熱泵機組從地源中吸收熱量,向建筑物供暖;夏季,熱泵機組從室內吸收熱量并轉移釋放到地源中,實現建筑物供暖或制冷。地源熱泵主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥四部分組成。


        四、地源熱泵系統選型設計


        1、工程負荷確定

        本建筑為居民建筑,初步設計階段采用負荷指標法進行系統冷熱負荷的估算。建筑面積5000平米以下取標準上限,因此冷負荷指標取110w/m2,熱負荷指標取100w/m2。

        邯鄲市綜合辦公樓地源熱泵空調系統設計

        由于所有房間同時使用幾率不大,考慮同時使用系數的冬夏季負荷如下:

        邯鄲市綜合辦公樓地源熱泵空調系統設計

        地埋管系統設計負荷按冬季和夏季較大者計算。選用2臺模塊式渦旋地源泵機組,互為備用機。主要設備技術參數為:

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        2、孔數確定

        豎埋管管長計算公式:L=Q1’*1000/A
        其中L:豎井埋管總長
        Q1’:夏季向土壤排放熱量
        A:夏季每米鉆孔的散熱量Q1’=Q1x(1+1/COP1)
        根據實際工況,按最大散熱量計算L=336*(1+1/5.1)*1000/50=8037米
        確定豎井數計算公式:N=L/H
        其中N:豎井個數
        H:豎井深度
        L:豎井埋管總長


        邯鄲地區屬于五類地區,設計孔深一般取120米,雙U孔數N=8037米/120米=67口。因施工區域場地面積受限,本項目采用了10個高效套管換熱器。高效套管的換熱量是雙U的2.5倍。因此10個高效套管換熱器相當于25個雙U換熱器。所以本項目實際設計10個高效套管地埋孔和42個雙U地埋孔。


        3、地埋管布置


        根據實際地形采用矩形布孔,42個雙U地埋孔,兩孔間距5米,分5排,每排8孔。所需場地面積為:35米*20米=700m2。10個高效套管地埋孔,兩孔間距7米,分2排,每排5孔。所需場地面積為:28米*7米=196m2。實際占地共896m2。同時布置了6個監測孔,用以監測地溫變化規律。


        五、地源熱泵系統施工安裝

        邯鄲市綜合辦公樓地源熱泵空調系統設計

        整個施工分為地埋側、室內末端、機房、控制室四部分。根據《地源熱泵系統工程技術規范》,地埋側施工工藝為:放線—鉆機定位—施鉆—試壓—下管—回填—水平連—試壓—回填。熱泵機組安裝工藝流程為:設備基礎驗收—設備進場—設備安裝就位—找正找平。整個空調系統安裝完畢后開始管道沖洗,然后對整個系統管道進行系統打壓試驗,穩壓10分鐘,壓力下降值不大于0.02MPa。


        六、地源熱泵和傳統空調經濟性對比分析


        1、地源熱泵模式運行成本

        邯鄲市綜合辦公樓地源熱泵空調系統設計

        本項目冷負荷336kw,熱負荷296kw;空調系統夏季供冷100天;冬季供熱120天。地源熱泵機組每天運行24小時,白天平均開機率0.3,夜間平均開機率0.5。邯鄲市居民生活峰電價0.5583,谷電價0.3583,峰電8時到21時,谷電21時到次日8時。

        夏季運行成本分析

        峰電時段單位kwh成本S1=f1/(η1*cop1)=0.5583/(0.95*4.3)=0.137元/kwh
        S1--地源熱泵每kwh的輸出功率的運行成本f1--峰電電價0.5883元/kwh
        η1--管網及水泵的輸配效率,取95%
        cop1--主機效能比,夏季取4.3
        谷電時段單位kwh成本
        S2=f2/(η2*cop2)=0.3583/(0.95*4.3)=0.088元/kwh

        夏季運行成本

        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

        夏季運行成本34214元/4700m2=7.3元/m2
        S2--地源熱泵每kwh的輸出功率的運行成本
        f2--谷電電價0.5883元/kwh
        η2--管網及水泵的輸配效率,取95%
        cop2--主機效能比,夏季取4.3

        冬季運行成本分析

        峰電時段單位kwh成本

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

        谷電時段單位kwh成本

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

        冬季運行成本

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

        冬季運行成本46424元/4700m2=9.8元/m2

        全年運行成本預計共80638元,全年運行費用平均80638/4700=17.1元/m2。

        2、普通空調運行費用夏季運行成本分析:
        S 夏 = W * H * T * D * F

        *S=1.2*11*100*0.52*0.65*161=71831元

        S夏:夏季運行成本
        W:功率
        H:每天運行時間
        T:運行天數
        D:每度電費
        F:運行份額
        S:空調數量

        冬季運行成本分析:

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

        W1:功率
        H1:冬季每天運行時間
        T1:冬季運行天數
        D:每度電費
        F1:冬季運行份額
        S:空調數量

        全年費用合計:71831+123992=195823元

        全年節省電費:195823-80638=115185元


        七、監測系統

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        地溫場溫度監測


        以2月份監測數據為例


        換熱孔(工作孔)地溫監測:雙U工作孔在2月平均溫度降低0.30℃,溫度變化平穩,幅度小。高效地埋管工作孔2月平均溫度降低6℃,變幅較大,分析原因有兩方面:1、高效地埋管換熱能力強,對地溫場影響較大;2、在供熱能力達到情況下,高效主機作為備用機,間歇時間相對較長,導致地溫變幅較大。


        換熱孔孔間地溫監測:雙U孔間監測,距離工作孔3.54m,2月平均溫度降低0.3℃,初步說明雙U地埋管換熱器在工作時影響半徑大于3.54m。高效孔間監測,距離工作孔4.95m,2月平均溫度降低0.4℃,與高效工作孔溫度變化比較,變幅輕微,初步說明高效地埋管換熱器在工作時影響半徑處于4.95m附近。距離雙U地埋管鉆孔較遠的地方設計一個監測孔,監測地溫場的影響半徑,該監測孔距離工作孔5m,地溫監測變幅0.07℃。距離套管式地埋井工作孔較遠的地方設計一個監測孔,監測地溫場的影響半徑,該監測孔距離工作孔7m,地溫監測變幅0.07℃。溫度傳感器精度±0.08℃。除去傳感器精度干擾,可認為雙U地埋管換熱器工作時影響半徑小于5m,高效地埋管換熱器在工作時影響半徑小于7m。


        八、結束語


        綜上所述,本次地源熱泵系統冬季供暖,夏季制冷,一機兩用,真正做到了“零能耗、零排放、零污染”。在全市大氣污染綜合治理工作中率先打造了邯鄲市地源熱泵系統應用示范工程。不僅解決了廣大職工的生產生活條件,而且產生了很好的經濟效益和社會效益,經測算每年可節約電費約30萬元,減少燃煤310噸,減少CO2排放量800.69噸,SO2排放量5.31噸,氮氧化合物4.96噸,粉塵排放量3.01噸。所以,綜合應用前景、環保節能、運行穩定、運行費用低、維護簡單方便、使用壽命長等各方面考慮,地源熱泵空調系統技術經過多年發展,技術已經相當成熟。地源熱泵系統的節能效果也是家喻戶曉。無論在先進性還是經濟性方面都具有十分明顯的優勢,集舒適、環保、節能于一體,滿足了人們對高品質生活的追求。

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