哈工大-地源热泵系统介绍57

地源热泵系统报告——黑龙江建筑职业技术学院新建教学楼及墙体材料试验基地项目哈工大—

龙冶新能源研究应用中心国务院办公厅2013年1月1日发布绿色建筑行动方案，方案中着重提到开展绿色建筑行动，以绿色、循环、低碳理念指导城乡建设，严格执行建筑节能强制性标准，积极推动太阳能、浅层地能、生物质能等可再生能源在建筑中的应用。加快普及高效节能照明产品、风机、水泵、热水器、办公设备、家用电器及节水器具等。背景前提哈工大—龙冶新能源研究应用中心黑龙江建筑职业技术学院新建教学楼及墙体材料试验基地项目中融合了多种节能设计，并希望通过绿色建筑三星认证。地源热泵系统在选择设备和材料时，本着节能的原则，选用国际知名品牌并通过国家节能产品认证的意大利克莱门特热泵机组和国际知名品牌并通过国家节能产品认证的格兰富循环水泵；主材采用国内知名品牌伟星管业管材、远大阀门等优质产品。

在保证产品质量的基础上更体现节能的优势。背景前提哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

一、地源热泵系统介绍•

二、本项目概况•

三、地源热泵系统设计•

四、土壤冷热平衡分析计算•

五、项目投资估算及经济运行分析•

六、结论哈工大—龙冶新能源研究应用中心地源热泵系统是利用地下岩石、土壤、地下水和地表水作为低温热源，把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接接入地下，使其与大地进行热交换，通过地下循环系统循环，提取或释放大地热能，通过机组循环系统将能量转移到建筑物内，从而将低品位能源利用起来。用户供暖\制冷室内循环系统一、地源热泵系统介冷媒—循环介质热交换机组循环系统压缩机冷媒—循环介质热交换绍地下循环系统循环介质—土壤热交换哈工大—龙冶新能源研究应用中心压缩机（压缩）气体低温

低压高温高压●耗电做功使低温低压冷媒气体变为高温高压气体一、地气体源热泵系蒸发器（蒸发）冷凝器（冷凝）●空气吸收冷媒的冷量使●向空气放出冷媒的热量使液态冷媒变为气态气态冷媒变为液态统介绍液体液体膨胀阀（膨胀）●降低冷媒压力低温

低圧高温

高圧6●调整冷媒流量哈工大—龙冶新能源研究应用中心一、地源热泵系统介绍究应用中心一、地源热泵系统介绍心黑龙江建筑职业技术学院新建教学楼及墙体材料试验基地项目，红线内占地面积20867㎡。建筑为地下一层，地上九层，其中设备层一层，总建筑面积20369㎡。夏季空调面积15821㎡，冬季采暖面积19445㎡。二、本项目概况哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

采暖：本工程公共卫生间，楼梯间，设备用房等采用单管顺流上供下回同程式散热器系统，其余房间采用风机盘管系统，一~三层辅以低温地面辐射采暖系统。二、本项目概况•

空调：本工程空调采用风机盘管系统。•

新风系统哈工大—龙冶新能源研究应用中心原始数据•

根据图纸提供数据，建筑物冬季采暖热负荷为805kW，冬季新风负荷为825kW。夏季空调负荷为1786kW，其中包括新风负荷。三、地源热•

现有设计太阳能提供生活热水，生活热水40t/D。泵系统设计•

项目现有设计中设计了两台燃气锅炉，单台最大出力610kW。在太阳能提供热水不足时可以提供生活热水。哈工大—龙冶新能源研究应用中心设计数据•

根据图纸提供冷、热负荷要求选择热泵机组两台，单台机组制热量858.9kW，电功率263.5kW，COP值为3.3，制冷量1137.1kW，电功率191.6kW，COP值为5.9。三、地源热泵系统设•

按照经验数据计算，设计竖埋孔400个（需经过岩土热物性测试后校核竖埋孔数量），孔内安装双U管，钻孔深度114m，有效换热深度107m，竖埋孔设置在建筑物楼前空地。计•

竖埋管系统占地面积为8500㎡，100个竖埋孔作为一个环路进入热泵机房，共四个环路，每个环路皆为同程。哈工大—龙冶新能源研究应用中心竖埋管平面布置图三、地源热泵系统设计哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

地源热泵系统运行思路1、冬季采暖：为保证地源热泵系统的长期有效运行，考虑三、地源热地源热泵系统冬季负担地板采暖系统和风机盘管系统热负荷，散热器系统及新风系统热负荷由燃气锅炉负担。泵系统设2、夏季制冷：夏季正常制冷时无需开启热泵机组，由地埋管系统经板式换热器换热后直供末端空调系统。如出现极端天气，地埋管系统不能满足建筑物的制冷要求时可以开启热泵机组制冷。计哈工大—龙冶新能源研究应用中心地源热泵系统采暖原理图1、当不全部使用，保持温度时2、当全部使用时接燃气锅炉60℃

45℃接接风地机板板式换热器三、地源热泵系40℃45℃

盘采管暖系系统统40℃35℃统设计哈工大—龙冶新能源研究应用中心地源热泵系统空调原理图三、地源热泵系接空调末端10℃15℃板式换热器统设计13℃8℃哈工大—龙冶新能源研究应用中心地源热泵系统图太阳能蓄能回补空气能蓄能回补三、地源热板式换热器Z风机盘管系统

新风系统ZZH

H泵系统设热泵机组燃气锅炉MM板式换热器地板采暖系统散热器系统计MM地埋管系统说明1、冬季全部使用时，阀门M开启；2、夏季直供时阀门Z开启；3、开启回补系统时阀门H开启。哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

系统安全性及使用寿命地源热泵系统为一台机组一套系统设计，两台机组可以互为备用，循环水泵均设备用泵。竖埋系统均为PE管，管材、管件同材质，管道≤De63为电熔连接，＞De63为热熔承插连接。三、地源热泵系统设地源热泵系统竖埋管管材选用国内知名品牌伟星管业管材，管材寿命可长达80年，热泵机组选用通过节能认证的意大利克莱门特品牌，寿命可达到25年。竖埋管系统经过夏季的合理回补，可与管材同寿命。计哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

土壤冷热平衡的意义及方法四、土壤冷热平衡分析计算地源热泵系统系统长期有效的运行关键在于从土壤中提取的热量和释放的热量是否平衡，计算从土壤中提取和释放的能量首先就是需要明确建筑物在冬季供暖时的耗热量和夏季制冷时的耗冷量。设计负荷和实际负荷存在差异，详细计算建筑物的冬季耗热量和夏季耗冷量与土壤的实际放热量和吸热量相对应。哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

本计算是基于BIN参数法的负荷计算。四、土壤冷热平衡分析计算所谓的BIN方法，就是假设围护结构负荷(包括日射及温差负荷)可变换成室外气温的线性关系，依此线性关系计算出不同温度下的负荷并乘以该温度段出现的小时数，便得出该温度下的冷、热耗量。将夏季或冬季各温度下的冷、热耗量累计求和便是全年冷或热耗量。哈工大—龙冶新能源研究应用中心1、本项目设计计算参数四、土壤冷热平衡分析计算•

室外采暖计算温度：-26℃：冬季室外风速：3.8m/s；室内采暖计算温度：卫生间、走廊、楼梯间：16℃；办公室、客房：20℃。会议室：18℃。计算时室内设计温度都按照20℃计算。•

室外空调设计干球温度：30.3℃，相对湿度77%；室内空调设计温度26℃，相对湿度60%。哈工大—龙冶新能源研究应用中心朝向窗面积（㎡）墙面积（㎡）墙体面积(㎡)四、土壤冷热平衡分析计算东向西向南向北向屋顶地面799.44998.072782.423212.663350.534135.93479.631731982.982214.591884.212463.933479.631731466.321671.97传热系数：外墙：0.45W/㎡·℃，外窗2.50W/㎡·℃，外门2.50W/㎡·℃，屋面0.35W/㎡·℃。哈工大—龙冶新能源研究应用中心2、哈尔滨气象统计四、土壤冷热平衡分析计算根据哈尔滨标准年的气象参数，可对哈尔滨市的全年逐时室外干球温度、各朝向太阳辐射量、太阳月总辐射进行统计。哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.1全年室外干球温度分布图全年室外干球温度分布图四、土壤冷热平衡分析计算6005004003002001000温度哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.2冬季采暖季室外各温度出现小时数冬季采暖季室外各温度出现小时数四、土壤冷热平衡分析计算240220200180160140120100806040200-28

-26

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10-8-6-4-2024681012141618温度上表为冬季采暖季10月20日0时至次年4月20日24时，共183天，4392小时统计数。哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.3夏季空调各温度出现小时数四、土壤冷热平衡分析计算夏季空调各温度出现小时数16014012010080604020026272829303132温度哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.4冬季采暖季各个朝向太阳辐射量四、土壤冷热平衡分析计算冬季采暖季各个朝向太阳辐射量6005004003002001000东向南向西向北向朝向哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.5夏季制冷季各个朝向太阳辐射量四、土壤冷热平衡分析计算夏季制冷季各个朝向太阳辐射量350300250200150100500东向南向西向北向朝向哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.6太阳辐射月总辐射量四、土壤冷热平衡分析计算月总辐射7006005004003002001000123456789101112月份哈工大—龙冶新能源研究应用中心3、基于BIN参数法的负荷计算3.1建筑物耗热量及耗冷量四、土壤冷热平衡分析计算•

建筑物的耗热量包括由温差通过维护结构引起的耗热量、新风耗热量。•

建筑物的耗冷量包括由温差通过维护结构引起的耗冷量、新风耗冷量、灯光照明引起的耗冷量、人体散热引起的耗冷量、太阳辐射得热通过玻璃引起的耗冷量。哈工大—龙冶新能源研究应用中心ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyle3.3温差通过维护结构引起的负荷和新风负荷•

通过屋面、墙体、玻璃窗由温差引起的稳定传热部分四、土壤冷热平衡分析计算n(A

K

)(T

T

)iiinTCL（THL）=i1At•

新风负荷显热负荷0.34V

(T

Ti

)CLVS（HLVS）=Ai潜热负荷0.83V

(d

di

)CLVL=Ai哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

将温差通过维护结构引起的负荷和新风负荷一起视为与室外干球温度T有线性关系，经计算：四、土壤冷热平衡分析计算1）冬季负荷与室外温度T的线性关系：HL=36.44-1.82T2）夏季负荷与室外温度T的线性关系：CL=13.28T-345.1哈工大—龙冶新能源研究应用中心ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyle•不同室外温度下的冬季采暖热负荷计算表BIN/℃小时数HL/W/㎡-287-2714-2622-2556-2456-2383-22102-21114-20121-19147-18169-1715687.485.5883.7681.9480.1278.376.4874.6672.8471.0269.267.38热量/Kw·h

11896.27

23297.08

35831.14

89224.73

87242.92

126369.2

151687.3

165498.5

171378.6

203001.5

227401.9

204388.7BIN/℃小时数HL/W/㎡-16161-15164-14159-13152-12157-11171-10177-9137-814751-7120-6112-510765.5663.7461.9260.158.2856.4654.6452.8249.1847.3645.54热量/Kw·h

205241.9

203262.4

191438.5

177631.2

177918.2

187732188055.1

140708.5

145776.9

114754.8

103140.9

94749.75BIN/℃小时数HL/W/㎡-4119-3-2118-11440123456714423612312032.81069590724843.7241.940.0838.2636.4434.6230.9829.1627.3425.5223.7热量/Kw·h

101164.6

117321.5

91962.54

107129.4

167221.3

82800.59

76534.34

63854.06

53865.71

47845.63

35728.47

22120.29BIN/℃小时数HL/W/㎡8910161120127138146157164174183395221.8820.0618.2416.4214.612.7810.969.147.325.53.68热量/Kw·h

16592.55

20283.16

5674.741

6385.639

1987.248

1988.026

1278.683

1244.072

569.3408

427.7834

214.6695由上表计算采暖季通过维护结构引起的负荷和新风负荷建筑物热负荷为：HL=4451822.45kW·h哈工大—龙冶新能源研究应用中心不同室外温度下的建筑物热负荷四、土壤冷热平衡分析计算2500002250002000001750001500001250001000007500050000250000室外温度℃哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

不同室外温度下的夏季空调冷负荷四、土壤冷热平衡分析计算根据表2.3（夏季空调各温度出现小时数），夏季负荷与室外温度T的线性关系：CL=13.28T-345.1，可计算不同室外温度下的夏季空调冷负荷：不同室外温度下的夏季空调冷负荷计算表BIN/℃小时数26134279928602948303531243212CL/W/㎡0.18381.6113.4626.7440.0253.366.5879.86冷量/Kw·h21082.52

25383.69

30392.08

29514.64

25281.17

15161.87由上表计算空调季通过维护结构引起的负荷和新风负荷建筑物冷负荷为：CL=147197.58kW·h哈工大—龙冶新能源研究应用中心四、土壤冷热平衡分析计算不同室外温度下的夏季空调冷负荷3500030000250002000015000100005000026272829303132室外温度℃哈工大—龙冶新能源研究应用中心3.4内部负荷四、土壤冷热平衡分析计算AU

CLICLI=maxAi灯光照明引起的冷负荷：客房照明的冷指标为20W/㎡，会议室、餐厅等房间的综合冷指标取40W/㎡，考虑灯光照明的同时使用率，取系数0.7，则灯光照明引起的冷负荷指标为21.21W/㎡。人体散热引起的冷负荷：客房人体的冷指标为7W/㎡，会议室、餐厅等房间的综合冷指标取43W/㎡，考虑人员的不确定性，取系数0.8，则人体散热引起的冷负荷为20.81W/㎡。哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

根据表2.3（夏季空调各温度出现小时数），可得不同室外温度下的内部负荷引起的夏季空调冷负荷计算表：四、土壤冷热平衡分析计算BIN/℃小时数26272829303132134996048352412灯光负荷/W/㎡人体负荷/W/㎡冷量/Kw·h21.2120.8121.2120.8121.2120.8121.2120.8121.2120.8121.2120.8121.2120.817977.7389084.68

65816.29

39888.66

31910.93

23268.39

15955.46•

由上表可求得内部负荷在空调季引起的冷负荷为273902.14kW·h。哈工大—龙冶新能源研究应用中心3.5太阳辐射负荷四、土壤冷热平衡分析计算nMSHGF

AG

SG

CLFT

FPSiiiiSCL=i1ti

At窗户的遮阳系数为0.75，窗户有效面积为0.75，内遮阳系

数为0.6，冬季的日射得热取修正系数0.8。根据表4（冬季采暖季各个朝向太阳辐射量）、表5（夏季制冷季各个朝向太阳辐射量）可得太阳辐射通过玻璃引起的得热量。冬季太阳辐射通过玻璃引起的得热量：104333.3kW·h夏季太阳辐射通过玻璃引起的得热量：100888.6kW·h哈工大—龙冶新能源研究应用中心•

建筑物冬季采暖耗热量由上述计算可知道，建筑物冬季采暖耗热量为4451822.45kW·h，冬季太阳辐射通过玻璃四、土壤冷热平衡分析计算引起的得热量：104333.3kW

h，故冬季采暖季·建筑物的总热负荷为4347489.15kW·h。•

建筑物夏季空调耗冷量由上述计算可知道，空调季通过维护结构引起的耗冷量和新风耗冷量为147197.58kW·h，内部负荷在空调季引起的耗冷量为273902.14kW·h，夏季太阳负荷通过玻璃引起的耗冷量100888.6kW·h，故夏季空调季建筑物的总耗冷量为521988.59kW·h.哈工大—龙冶新能源研究应用中心4、本项目土壤取热量、取冷量平衡分析四、土壤冷热平衡分析计算4.1建筑物冷热负荷•

建筑物冬季耗热量为4347489.15（kW·h）•

建筑物夏季耗冷量为521988.59（kW·h）4.2地源热泵系统运行方式本项目设计选择热泵机组两台，单台制热量为858.9kW，电功率为263.5kW。地源热泵系统负担建筑物地板采暖系统和风机盘管系统，散热器系统和新风系统由燃气锅炉负担。两台机组交替开启，以保证地源热泵系统及热泵机组的使用寿命。夏季时机组不开启，由地埋管系统通过板式换热器直供空调系统末端。哈工大—龙冶新能源研究应用中心4.3土壤冬季取热量四、土壤冷热平衡分析计算•

根据本项目地源热泵系统设计方案，冬季为建筑物供暖时由热泵系统负担建筑物的风机盘管系统和地板采暖系统，则热泵机组负担的热负荷为2173744.6（kW·h）。•

单台机组的电功率为263.5kW，按照不同室外干球温度对应耗热量与设计耗热量的比率，根据表2（冬季采暖季室外各温度出现小时数）可得冬季供暖期消耗的电能：哈工大—龙冶新能源研究应用中心BIN/℃小时数-287-2714-2622-2556-2456-2383-22102-21114-20121-19147-18169-17156耗电率1.041923.11.023766.01.005792.20.980.960.930.910.890.870.850.830.80耗电量/Kw·h14423.314103.020427.824520.526753.127703.632815.536759.933039.8BIN/℃小时数耗电率-161610.78-15164-14159-13152-12157-11171-10177-9137-8147-7120-6112-51070.760.740.720.700.670.650.630.610.590.560.54耗电量/Kw·h

33177.732857.730946.328714.428760.830347.230399.422745.723565.118550.316672.915316.4BIN/℃小时数耗电率-4-3144-2118-1144012345671190.52236123120106959072480.500.480.460.430.410.390.370.358707.50.337734.30.305775.60.283575.8耗电量/Kw·h

16353.418965.214865.917317.627031.613384.812371.910322.1BIN/℃小时数89101611201271381461571641741833952耗电率0.262682.20.253425.50.251054.00.251317.50.25461.10.25527.00.25395.30.25461.10.25263.50.25263.50.25197.6耗电量/Kw·h热泵机组冬季供暖期消耗的电能为721535.5kW·h.哈工大—龙冶新能源研究应用中心四、土壤冷热平衡分析计算由上述计算可得：冬季采暖季向土壤的取热量为1452209.1

kW·h。哈工大—龙冶新能源研究应用中心4.4土壤夏季取冷量四、土壤冷热平衡分析计算•

夏季机组不开启，使用直供方式机组没有耗电。夏季制冷季向土壤释放的热量为521988.3kW·h。4.5土壤冷热平衡•

由上述计算可知，每年建筑物向土壤中取热量·较多，差额为930220.8

kW

h。哈工大—龙冶新能源研究应用中心4.6平衡土壤能量方案四、土壤冷热平衡分析计算•

主要采取风能在夏季向土壤中释放热量，中和系统运行时向土壤中不平衡部分，以确保本项目的持续有效运行，回补热量约为662MW·h

。•

太阳能补充本项目原设计包含太阳能制取生活热水系统，在夏季太阳能余热部分可以向地下土壤释放热能，回补热量，可回补热量约为268.2MW·h。•地下水蠕动竖埋管垂直穿过水层，地下水蠕动会平衡部分能量，为确保系统安全运行，本部分未计入计算。哈工大—龙冶新能源研究应用中心松北区地质柱状图地层年代地层深度地层厚度地名层称地层(

m

)(

m

)28粘土2四、土壤冷热平衡分析计算黄色细砂黄色中砂10102025灰色中砂含砾4569泥岩114哈工大—龙冶新能源研究应用中心1、本项目地源热泵系统初投资地源热泵系统单

价(元)合

价(元)序号项目名称规格型号单位台数量备注五、项目投资估算及经济运行分析制热量858.9kW功率263.5kW制冷量1137.1kW功率191.6kW1地源热泵机组27276201455240234系统水循环泵地源水循环泵Q=170m³/h

H=32m

P=22kWQ=190m³/h

H=36m

P=30kWφ1000台台套33137200880004140011160026400041400两用一备两用一备补水定压装置（系统水）5补水定压装置（地埋管）φ1000套1349003490067板式换热器板式换热器补水箱134㎡台台台台套2121115000019000675030000019000135001528029088030㎡84.5m³9软化水装置处理水量：3t/头单关10低压配电11施工费、材料(阀门,温度计,压力表,管路,保温等)项1364200364200合价地埋孔2910000121314个项项4001100008500001300004000000850000130000室外管线风能及太阳能回补系统合价149800007890000工程总价项1注：本初投资报价中不包含土建部分和土方。哈工大—龙冶新能源研究应用中心2、地源热泵系统运行费用五、项目投资估算及经济运行分析2.1冬季采暖运行费用热泵系统费用•

热泵机组冬季供暖期消耗的电能为721535.5kW·h。•

末端系统循环水泵电功率为22kW，地埋侧循环水泵电功率为30kW。采暖期为183天，24h运行，考虑使用率取0.8，则循环水泵消耗的电能为182707.2kW·h。•

地源热泵系统采暖季总耗电能904242.7kW·h。•

由峰谷电价综合考虑，电价为0.53元/度，则采暖季运行费用为47.92万元。哈工大—龙冶新能源研究应用中心2.2夏季空调运行费用五、项目投资估算及经济运行分析•

热泵机组夏季制冷期不开启，不消耗电能。•

末端系统循环水泵电功率为22kW，地埋侧循环水泵电功率为30kW。制冷期为60天，每天运行10h，则循环水泵消耗的电能为62400kW·h。•

地源热泵空调制冷季总