论文部分内容阅读
摘要：通过先进的、适当的科学和技术手段，充分利用太阳能和浅层地热能等可再生能源，将其应用到节能示范工程项目中，把西安都市之门工程建成可再生能源应用的集中示范区，以点带面地推动可再生能源在西安地区的应用。
关键词：地源热泵，方案，节能，环保，西安高新技术产业开发区，促进地源热泵使用
西安高新技术产业开发区发展迅速，其综合排名位居全国三甲，开发区的发展凸显着高新技术在这里的应用和发展，同时，应对巨大的能源消耗和环境污染也使高新技术产业开发区地处于西安发展的前沿，源热泵空调作为一种先进、节能的空调方式在西安首次得到推广应用，尤其是针对西安这种地下水位低，夏季温度高，又属于湿陷性黄土地区的地埋管地源热泵空调的使用更是一种大胆的尝试和示范，贯彻《可再生能源法》精神，按照《节能规划》的要求，充分利用太阳能和浅层地热能等可再生能源，通过先进、适用的科学技术手段，将其应用到该节能示范项目中，把西安都市之门工程建成可再生能源应用的集中示范区，以点带面地推动可再生能源在西安地区的应用。
1） 建筑节能目标达到50％以上
2） 示范项目的季节性供热系数达到2.5以上；季节性供冷系数达到3.5以上
3） 示范项目的夏季空调累计负荷50％以上由地源热泵系统提供，冬季供暖累计负荷90％以上由地源热泵系统提供
4） 通过本示范项目，总结和推广地源热泵在西安地区的应用技术和经验
都市之门地处西安西南郊，高新技术产业开发区，锦业路一号，分A、B、C、D座和千人大会堂，平面布局呈英文字母X、A象形，意为西安之意，总建筑面积401508.4㎡,经多方论证，决定A座及千人会堂采用地埋管地源热泵空调系统，B、C、D采用溴化锂吸收式制冷加蒸汽供暖系统。
一、 经济性能分析
1. 设计参数
根据《采暖通风与空调设计规范》（GB50019----2003）都市之门室内外设计参数如下：
西安地區室外设计参数
夏季大气压：95920pa冬季大气压：97870pa
2. 负荷计算（冷、热）
经计算，A座及千人会堂夏季冷负荷分别为：7800KW ,冬季热负荷分别为：5700KW
3. 室内空气设计参数
冬季供暖运行时间为11月15日～次年3月15日，冬季设计运行天数为120天；夏季供冷运行为5月15日～9月15日，夏季设计运行天数为120天。空调供应时间为8：00～18：00。
4.工程方案
本工程空调冷热源系统采用了土壤热泵复合式系统，根据方案一，冬季按60%的峰值热负荷选择土壤热泵机组，40%的峰值热负荷由蒸汽热网承担；根据冬季确定的土壤热泵机组确定夏季承担的冷负荷量，其余部分冷负荷由蒸汽溴化锂冷水机组承担。由于夏季负荷及运行时间均大于冬季，因此，选择1台冷却塔调整夏季热泵机组向地下的排热量。
选择2台水/水螺杆式热泵机组承担基本的夏季冷负荷和冬季热负荷，制冷工况下，热泵机组制冷量1654.4kW，冷冻水供回水温度7/12℃，冷却水供回水温度30/35℃；制热工况下，热泵机组制热量1750.5kW，空调水供回水温度45/40℃，地源侧进出水温度9/4℃。热泵机组的制冷与制热工况转化通过水路阀门转换。冬季，土壤热泵机组热源完全由地下换热器承担；夏季，土壤热泵冷源由地下换热器和1台冷却塔共同承担。
本工程采用两台蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组作为调峰冷源。在标准工况时，每台机组制冷量为2465kW。机组的吸收剂为溴化锂，制冷剂为水。机组的冷冻水供回水温度分别为7℃/12℃；冷却水进出水温度分别为32℃/38℃。
本工程采用城市蒸汽热网作为调峰热源，经汽水换热器供给45/40℃的空调采暖热水。采用两台换热量为1350kW的换热器。
地源热泵系统主要设备如下表所示（自控系统除外）。
4.经济性能分析
针对都市之门B座大楼采用溴化锂蒸汽机加市政蒸汽供暖投资、运行与维护费用进行了分析比较。
二、岩土体（土壤）资源
该地区所在区域位于皂河古河道，属于非自重湿陷性黄土场地，湿陷带下限为1.80～7.80m，标高为405.64～411.65m，湿陷起始压力平均值139kPa。
场地地下水属孔隙潜水类型，勘察期间测的稳定水位尝试～11.00m，水面标高402.94～406.23m；位于地下水潜水位多年持续下降区，地下水位年平均幅度大于2.0m；本工程抗浮设计水位可按408.00m考虑。
《都市之门岩土工程勘察报告》，实际现场勘察深度为85m，地质情况共分为15层，基本上以黄土、中粗砂、中细砂、粉质粘土为主。同时对勘测点土样分析，土壤对混凝土结构无腐蚀性。
根据实验数据，得到项目地点的地下综合热物性参数：导热系数为2.239W/mK；比热容为2300kJ/m3/K。2006年7月地下初始温度约为19.7℃，2007年1月地下初始温度约为15.9℃。（详见《西安都市之门热响应试验报告》和《西安都市之门土壤换热器测试报告》）
三、 地埋管热泵系统全年散热负荷与取热负荷的计算
由建筑物全年动态负荷模拟计算结果，冬季最大热负荷为5700 kW，夏季最大冷负荷为7800 kW。
在方案阶段，地埋管地源热泵系统的综合COP（能效比）冬季取4.0，夏季取5.0。由下式可以根据负荷求出地下取、散热负荷：
式中：Cap表示制热量；P表示功率； 表示热泵从地埋管侧的得热量。
根据空调负荷，地埋管热泵系统全年散热与取热动态负荷如图所示。全年最大取热负荷为4275 kW，全年最大散热负荷为9360 kW。如按照夏季进行埋管，会出现土壤换热器热量堆积，若干年后造成地源热泵系统效率下降或失效，因此本工程按照冬季负荷埋管。
可以看出，取热与散热负荷相差较大。最大夏季空调负荷是冬季空调负荷的137%，而最大散热负荷是最大取热负荷的219%。如果不考虑季节性的换热平衡问题，地温温度在一年内将明显上升。因此，为了使地下温度场不发生季节性的换热不平衡，就需要在地源热泵系统中增加辅助散热装置。
四、 地埋管设置方案
1. 如图4.3为项目规划用地的平面图，本工程总占地面积为144596m2。根据建筑设计单位建议，方案A是千人大会堂及能源中心地下作为地埋管打井面积，约1.5万m2。方案B的打井面积为千人大会堂与能源中心之间部分以及千人大会堂东侧地块，面积约1万m2。方案C的打井面积除方案B的打井面积外，还包括建筑群南侧地块面积，共约2.35万m2。
3.地埋管换热器设置
本工程空调冷热源系统采用了土壤热泵复合式系统，地下换热器采用双U型，竖直埋设，平均间距5m，地下换热器内流体介质为水，埋设范围为千人会堂基础下、能源中心基础下、及能源中心与千人会堂之间的绿地下。
地下换热器计算的基础数据为：100米深度地下土壤的平均初始温度t0=15.9℃,地下土壤平均导热系数λ=2.239w/m.k,地下土壤的单位热容ρcp=2.3MJ/m3.k,经计算，地下换热器个数为569个，千人会堂基础下243个，绿地下114个，能源中心基础下212个，另外分别在千人会堂基础下、绿地下、能源中心基础下各设一个监测井，检测地下土壤温度变化。
地下换热器内总的水流量为：720m3/h,每个换热器内的流量为1.3m3/h，流速为：0.32m/s.
地下换热器系统冬季承担的峰值热负荷为3500kw,承担的累计热负荷为2874.7Mwh;夏季承担的峰值冷负荷为：1650 kw，承担的累计,冷负荷为：2013.1 Mwh.
五、 运行效果
都市之门地源热泵空调系统于2009年8月正式交付运行，经过将近两年的调试运行，其供热成本为：1.17元/月.㎡,供冷成本为：1.12元/月.㎡，蒸汽供暖成本为：4.79元/月.㎡，溴化锂机组供冷成本为：3.03元/月.㎡，达到很低的运行成本.详见下表
六、结束语：地埋管换热器内的水温全年波动范围在8.5～30℃ 之间，空调机组冬季蒸发温度最低 7.5 ℃，夏季冷凝温度最高36 ℃ ，能效比相当之高。基本上实现了地源热泵空调系统高效、节能、环保等综合优势和资源价值利用最大化。生产成本大大下降，减少向大气排放废热，对改善西安能源紧缺，夏季火热的境况，有很大帮助。
相当于 减少排放温室气体CO21450t；每年节约成本177.90万元；每年节省用电273.70万kwh.
都市之门项目竣工运行后，得到多方肯定：
2010年4月被评为“雁塔杯”工程质量优秀奖
2010年6月被评为“长安杯”工程质量优秀奖
2010年9月10日被评为“鲁班奖”
这个项目从设计、施工到运行都体现出了节能减排，充分利用太阳能和浅层地热等可再生能源，可以作为示范工程，推动再生能源利用在西安的推广应用！
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地源热泵，方案，节能，环保，西安高新技术产业开发区，促进地源热泵使用
西安高新技术产业开发区发展迅速，其综合排名位居全国三甲，开发区的发展凸显着高新技术在这里的应用和发展，同时，应对巨大的能源消耗和环境污染也使高新技术产业开发区地处于西安发展的前沿，源热泵空调作为一种先进、节能的空调方式在西安首次得到推广应用，尤其是针对西安这种地下水位低，夏季温度高，又属于湿陷性黄土地区的地埋管地源热泵空调的使用更是一种大胆的尝试和示范，贯彻《可再生能源法》精神，按照《节能规划》的要求，充分利用太阳能和浅层地热能等可再生能源，通过先进、适用的科学技术手段，将其应用到该节能示范项目中，把西安都市之门工程建成可再生能源应用的集中示范区，以点带面地推动可再生能源在西安地区的应用。
1） 建筑节能目标达到50％以上
2） 示范项目的季节性供热系数达到2.5以上；季节性供冷系数达到3.5以上
3） 示范项目的夏季空调累计负荷50％以上由地源热泵系统提供，冬季供暖累计负荷90％以上由地源热泵系统提供
4） 通过本示范项目，总结和推广地源热泵在西安地区的应用技术和经验
都市之门地处西安西南郊，高新技术产业开发区，锦业路一号，分A、B、C、D座和千人大会堂，平面布局呈英文字母X、A象形，意为西安之意，总建筑面积401508.4㎡,经多方论证，决定A座及千人会堂采用地埋管地源热泵空调系统，B、C、D采用溴化锂吸收式制冷加蒸汽供暖系统。
一、 经济性能分析
1. 设计参数
根据《采暖通风与空调设计规范》（GB50019----2003）都市之门室内外设计参数如下：
西安地區室外设计参数
夏季大气压：95920pa冬季大气压：97870pa
2. 负荷计算（冷、热）
经计算，A座及千人会堂夏季冷负荷分别为：7800KW ,冬季热负荷分别为：5700KW
3. 室内空气设计参数
冬季供暖运行时间为11月15日～次年3月15日，冬季设计运行天数为120天；夏季供冷运行为5月15日～9月15日，夏季设计运行天数为120天。空调供应时间为8：00～18：00。
4.工程方案
本工程空调冷热源系统采用了土壤热泵复合式系统，根据方案一，冬季按60%的峰值热负荷选择土壤热泵机组，40%的峰值热负荷由蒸汽热网承担；根据冬季确定的土壤热泵机组确定夏季承担的冷负荷量，其余部分冷负荷由蒸汽溴化锂冷水机组承担。由于夏季负荷及运行时间均大于冬季，因此，选择1台冷却塔调整夏季热泵机组向地下的排热量。
选择2台水/水螺杆式热泵机组承担基本的夏季冷负荷和冬季热负荷，制冷工况下，热泵机组制冷量1654.4kW，冷冻水供回水温度7/12℃，冷却水供回水温度30/35℃；制热工况下，热泵机组制热量1750.5kW，空调水供回水温度45/40℃，地源侧进出水温度9/4℃。热泵机组的制冷与制热工况转化通过水路阀门转换。冬季，土壤热泵机组热源完全由地下换热器承担；夏季，土壤热泵冷源由地下换热器和1台冷却塔共同承担。
本工程采用两台蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组作为调峰冷源。在标准工况时，每台机组制冷量为2465kW。机组的吸收剂为溴化锂，制冷剂为水。机组的冷冻水供回水温度分别为7℃/12℃；冷却水进出水温度分别为32℃/38℃。
本工程采用城市蒸汽热网作为调峰热源，经汽水换热器供给45/40℃的空调采暖热水。采用两台换热量为1350kW的换热器。
地源热泵系统主要设备如下表所示（自控系统除外）。
4.经济性能分析
针对都市之门B座大楼采用溴化锂蒸汽机加市政蒸汽供暖投资、运行与维护费用进行了分析比较。
二、岩土体（土壤）资源
该地区所在区域位于皂河古河道，属于非自重湿陷性黄土场地，湿陷带下限为1.80～7.80m，标高为405.64～411.65m，湿陷起始压力平均值139kPa。
场地地下水属孔隙潜水类型，勘察期间测的稳定水位尝试～11.00m，水面标高402.94～406.23m；位于地下水潜水位多年持续下降区，地下水位年平均幅度大于2.0m；本工程抗浮设计水位可按408.00m考虑。
《都市之门岩土工程勘察报告》，实际现场勘察深度为85m，地质情况共分为15层，基本上以黄土、中粗砂、中细砂、粉质粘土为主。同时对勘测点土样分析，土壤对混凝土结构无腐蚀性。
根据实验数据，得到项目地点的地下综合热物性参数：导热系数为2.239W/mK；比热容为2300kJ/m3/K。2006年7月地下初始温度约为19.7℃，2007年1月地下初始温度约为15.9℃。（详见《西安都市之门热响应试验报告》和《西安都市之门土壤换热器测试报告》）
三、 地埋管热泵系统全年散热负荷与取热负荷的计算
由建筑物全年动态负荷模拟计算结果，冬季最大热负荷为5700 kW，夏季最大冷负荷为7800 kW。
在方案阶段，地埋管地源热泵系统的综合COP（能效比）冬季取4.0，夏季取5.0。由下式可以根据负荷求出地下取、散热负荷：
式中：Cap表示制热量；P表示功率； 表示热泵从地埋管侧的得热量。
根据空调负荷，地埋管热泵系统全年散热与取热动态负荷如图所示。全年最大取热负荷为4275 kW，全年最大散热负荷为9360 kW。如按照夏季进行埋管，会出现土壤换热器热量堆积，若干年后造成地源热泵系统效率下降或失效，因此本工程按照冬季负荷埋管。
可以看出，取热与散热负荷相差较大。最大夏季空调负荷是冬季空调负荷的137%，而最大散热负荷是最大取热负荷的219%。如果不考虑季节性的换热平衡问题，地温温度在一年内将明显上升。因此，为了使地下温度场不发生季节性的换热不平衡，就需要在地源热泵系统中增加辅助散热装置。
四、 地埋管设置方案
1. 如图4.3为项目规划用地的平面图，本工程总占地面积为144596m2。根据建筑设计单位建议，方案A是千人大会堂及能源中心地下作为地埋管打井面积，约1.5万m2。方案B的打井面积为千人大会堂与能源中心之间部分以及千人大会堂东侧地块，面积约1万m2。方案C的打井面积除方案B的打井面积外，还包括建筑群南侧地块面积，共约2.35万m2。
3.地埋管换热器设置
本工程空调冷热源系统采用了土壤热泵复合式系统，地下换热器采用双U型，竖直埋设，平均间距5m，地下换热器内流体介质为水，埋设范围为千人会堂基础下、能源中心基础下、及能源中心与千人会堂之间的绿地下。
地下换热器计算的基础数据为：100米深度地下土壤的平均初始温度t0=15.9℃,地下土壤平均导热系数λ=2.239w/m.k,地下土壤的单位热容ρcp=2.3MJ/m3.k,经计算，地下换热器个数为569个，千人会堂基础下243个，绿地下114个，能源中心基础下212个，另外分别在千人会堂基础下、绿地下、能源中心基础下各设一个监测井，检测地下土壤温度变化。
地下换热器内总的水流量为：720m3/h,每个换热器内的流量为1.3m3/h，流速为：0.32m/s.
地下换热器系统冬季承担的峰值热负荷为3500kw,承担的累计热负荷为2874.7Mwh;夏季承担的峰值冷负荷为：1650 kw，承担的累计,冷负荷为：2013.1 Mwh.
五、 运行效果
都市之门地源热泵空调系统于2009年8月正式交付运行，经过将近两年的调试运行，其供热成本为：1.17元/月.㎡,供冷成本为：1.12元/月.㎡，蒸汽供暖成本为：4.79元/月.㎡，溴化锂机组供冷成本为：3.03元/月.㎡，达到很低的运行成本.详见下表
六、结束语：地埋管换热器内的水温全年波动范围在8.5～30℃ 之间，空调机组冬季蒸发温度最低 7.5 ℃，夏季冷凝温度最高36 ℃ ，能效比相当之高。基本上实现了地源热泵空调系统高效、节能、环保等综合优势和资源价值利用最大化。生产成本大大下降，减少向大气排放废热，对改善西安能源紧缺，夏季火热的境况，有很大帮助。
相当于 减少排放温室气体CO21450t；每年节约成本177.90万元；每年节省用电273.70万kwh.
都市之门项目竣工运行后，得到多方肯定：
2010年4月被评为“雁塔杯”工程质量优秀奖
2010年6月被评为“长安杯”工程质量优秀奖
2010年9月10日被评为“鲁班奖”
这个项目从设计、施工到运行都体现出了节能减排，充分利用太阳能和浅层地热等可再生能源，可以作为示范工程，推动再生能源利用在西安的推广应用！
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。