地源热泵技术在既有建筑物节能改造中的应用

地源热泵技术在既有建筑物节能改造中的应用

摘要：

通过对济南市某研究院办公楼的空调系统运行状况的调查测试及实际运行费用分析，对该工程节能改造及运行方法进行了分析并提供了具体的空调系统的节能改造方案。总结了整个办公楼空调系统节能改造方案及经济性，为既有建筑节能改造提供了示范。

关键字：办公楼

空调系统

旧楼改造

地源热泵

节能

1、山东方亚地源热泵空调技术有限公司

2、山东建筑大学热能工程学院

3、山东建筑科学研究院

一、

引言

在能源总消耗中，建筑能耗占有着很大比例，其中照明和空调，特别是空调能耗，占据了建筑能耗的30%～40%。所以，进行空调节能潜力的分析具有非常重要的意义。通过对公共建筑的能源消耗现状的分析知道，大多数公共建筑是低功能、低水平、高能耗运行。因此我们可以根据原有建筑空调系统的分析、调查结果，并结合公共建筑自身的特点，从围护结构构造措施、空调温度的设定值、中央空调系统的选型及其风、水系统的调整与改造、新能源的利用和日常管理及调控方式等方面考虑,对旧楼中原有空调系统进行改造，以达到降低能耗的目的。对于供冷期及供暖期均较长的济南地区，空调能耗非常高，因此节能工作尤为重要，并具有代表意义。

本文以济南市某研究所办公楼为对象进行研究和讨论，旨在让大家了解既有公共建筑耗能巨大，存在巨大的节能潜力，因此，我们应引起高度重视。着手公共建筑的节能建设与改造，以解决我国能源紧缺的问题迫在眉睫。

二、

该办公楼原有建筑及空调系统简介

山东省济南市某研究院南办公楼建造于1960年，为三层砖混结构，建筑面积约3000平方米，该建筑围护结构采用370

mm厚砖墙，坡屋面，楼内设有上供下回异程式垂直双管采暖系统，散热器采用柱形铸铁散热器，散热器支管前安装球型调节阀。该系统散热器已使用了30年，散热效果较差，供回水管道为普通焊接钢管，也已使用近10年，管道及散热器均有不同程度的锈蚀。在系统运行过程中，楼内各房间的供暖温度不均匀，顶层温度整体偏低，约在15℃左右，东西两端房间的温度约在16-18℃，中间的房间温度偏高，基本在22℃左右，因未设自控阀门，房间的温度无法根据不同时段的使用要求进行适时调节，造成能源的浪费，也达不到人们的舒适度的要求。该采暖系统采用城市热网集中供暖，院内设换热站，采用普通定流量水泵，水泵的启停靠人工控制，采暖供水量也是由换热站人员通过管路阀门进行人工调节，系统能量的供给无法根据室内负荷要求的变化进行及时调整，造成能源和运行费用的严重浪费。冬季采暖耗热量平均在102W/m2，2006年冬季采暖运行费用约8万元。办公楼夏季采用分体式空调机制冷，耗电量较大，年运行费用约8.1万。

综上所述：

1、本建筑属于一般性建筑，未作保温处理，冷热负荷指标大。

2、冬季供暖采用城市热网集中供暖，夏季空调采用分体式空调机制冷。

3、冬季供暖系统制热效果及夏季空调系统制冷效果由于原设计不合理均达不到使用要求。

4、冬季运行费用为26元/m2；夏季运行费用为27元/m2。全年运行费用合计为53元/m2

三、

该办公楼维护结构及空调系统节能改造方案

针对本办公楼能耗大、空调运行费用高以及原空调系统设计不甚合理的特点，该院领导下定决心对本建筑进行建筑节能改造及空调系统的节能改造，旨在济南市旧楼改造节能建设工程中做一个政府性示范工程，同时也是响应国家的节能减排政策。

维护结构节能改造方案：按照国家节能65%的标准对维护结构进行外墙保温，外窗采用双层中空LOW-E玻璃。

空调系统节能改造方案：空调系统采用地源热泵中央空调系统，本系统一机两用，冬季供暖、夏季制冷。本系统利用30%的电能做驱动，70%的能量来自地下，不污染环境，节能环保。以下将详细介绍空调改造方案。

1、

地源热泵空调系统方案具体配置

(1)根据对本建筑维护结构节能改造后计算冷热负荷，分别为150KW和120KW.

根据负荷计算负荷，并考虑系统将来增容，增容量估计有100KW左右，因此选用法国西亚特机组LWP900一台。具体参数如下：

(1)法国CIATT系列机组组制冷量(kW)制热量(kW)尺寸(mmm)长宽高LWP9000254.7334.6139012901265(2)空调末端系统采用风机盘管加新风系统。新风系统采用全热回收式新风换气机。每层设计一台新风换气机，新风口与风机盘管出风口混合后共同向室内提供高品质的空调风。整个系统分为三大部分：地热换热器部分、机房部分及末端风机盘管和新风换气机部分。其工作原理图如下所示：

地源热泵空调系统的核心部分是地热换热器部分，地热换热器设计的好坏，直接影响的系统运行的优劣。我公司利用独立开发“地热之星”软件对本办公楼的地源热泵及地热换热器系统模拟了10的运行工况。软件介绍：

该软件采用动态传热模型，可以模拟地源热泵和地热换热器系统在20年甚至更长时间里的工况。该设计软件已成功地应用于多个地源热泵空调工程的设计。是设备生产厂家和教学部门研究及实施地源热泵工程必不可少的实用手段之一。）

对本工程模拟设计计算，结果为热泵入口最高温度33.021℃，在第十年的八月份。热泵入口最低温度5.042℃，在第一年的二月份。因此在十年的运行时间里，埋管量4000延米，可以保证系统的经济高效运行。1、

岩土热物性测试、地下温度场检测及地源侧进出水温度巡检为确保地源热泵系统在工程实践中切实达到高效运行的目的，我公司对本节能改造工程做了以下检测工作：岩土热物性测试

深层地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数。本公司独立研制的深层岩土热物性测试仪已发展到第Ⅲ型，具有多智能化的功能，使用方便，测试结果可靠。在本工程进行正式施工之前，我公司会对地层进行仔细测试，以达到工程良好运行结果。（1）

地下温度场常年运行检测本工程共设计钻井量40口，为了检测空调系统运行过程中地下温度场的变化情况，我公司设计在其中一口井中埋设温度检测装置四处，位置分别为井下80m、60m、40m和20m。如此设计可以很好的检测地下不同位置的温度场随着空调系统常年运行的变化。根据温度场的变化情况，可以检测地源热泵系统是否高效运行，并且可以对系统运行提供建议。1、

机房系统联锁控制及机组负荷无级调节1）、机房系统联锁控制说明：（1）

手动方式有两种：一种是联锁手动，另一种是解锁手动。解锁手动在就地操作箱上操作，联锁手动远方操作。（2）

联锁手动是运行人员按地源空调工艺要求的顺序一对一的启动设备，按逆顺序一对一的停止设备，流程内设备存在联锁关系，所以手动停任一台正在运行的设备，逆顺序方向的所有设备联锁停机。（3）

解锁手动是，运行人员可随意启停任一台设备，此时无任何联锁关系，决不可带负荷运行。（4）

自动方式为一键启动、一键停止整个系统。2）、机组可以根据系统所需冷量及热量情况进行无级调节。一、

节能改造前后对比分析及节能减排分析一）、运行费用分析前提：1、电价按0.60元/Kw·h；2、夏季制冷按90天计算，冬季制热按120天计算，每天均运行10小时。3、地源热泵冷水机组1台，冬夏工况按最大标称功率计算，实际工作时为标称功率的17%～100%无极调节工作。4、空调水泵耗电：地源侧水泵7.5KW，地上侧水泵：7.5KW。

计算项目计算过程计算结果夏季地源热泵机组耗电（最大功率445Kww）负荷率1000%天数20天20天×100小时×45KKw×1台×1000%9000.00负荷率75%%天数25天25天×100小时×45KKw×1台×75%%8437.55负荷率50%%天数25天25天×100小时×45KKw×1台×50%%5625.00负荷率25%%天数20天20天×100小时×45KKw×1台×25%%2250.00合计耗电量（KWH）9000+88437++56255+2255025312..5空调水泵耗电电7.5Kw××2台×10小时×90天13500..0夏季总耗电电电量25312+.5各建筑同时使使用率（取取1.0）38812..5×1..038812..5夏季总运行费费用（0.6元/度）38812..5×0..6023287..5夏季平均每平平方米运行行费用23287..5元÷30000㎡7.8元/㎡㎡冬季地源热泵机组耗电（最大功率555Kw）负荷率1000%天数2020天×100小时×55KKw×1台×1000%11000..0负荷率75%%天数3030天×100小时×55KKw×1台×75%%12375..0负荷率50%%天数3030天×100小时55Kww×1台×50%%8250.00负荷率25%%天数4040天×100小时×55KKw×1台×25%%5500.00合计耗电量（KWH）11000++123775+82250+5550037125空调水泵耗电电7.5Kw××2台×10小时×90天22500..0冬季总耗电电电量22500++37122559625..0各房间同时使使用率（取1.0）59625××1.059625..0冬季总运行费费用（0.6元/度）59625××0.60035775..0冬季平均每平平方米运行行费用35775元元÷30000㎡11.9元//㎡一年每平方米米运行费用用合计（冬冬季+夏季）3.82元//㎡+99.38元/㎡19.7元//㎡二）、改造前后运行费用对比改造前：根据2006年对办公楼空调运行费用统计：冬季采暖费8.0万元。夏季分体空调耗电费8.1万元。全年运行费用折合53元/㎡。改造后：由前表可知，地源热泵空调系统的全年运行费用折合19.7元/㎡。则全年运行费用为：5.91万元。改造前后仅运行费用每年节省10.19万元。节能百分比为：63%。

三）、节能环保效益分析节能环保效益定量分析以以下数据计算：标准天然气的热值按照35965kJ/Nm3；标准煤的低位热值29271kJ/kg；燃气锅炉的效率按0.8计；热电厂发电效率取0.4。

节省用电量//KW·hh1666677折合耗煤量//吨66．7节煤量/吨66.7减排量CO2/吨176.7SO2/kgg1191.33烟尘/kg1026炉渣/吨41.33根据上表，项目在改造后除具有显著的节能效益的同时还具有良好的环保效益。五、结论5.1绿色环保效益显著采用地源热泵系统取代燃煤锅炉可能得很好的环保效应和经济效应，避免了燃煤锅炉的废气、废渣对周围环境的污染，省掉了燃煤的运输费用、贮煤场地费用、除尘费用、灰渣的运输处理费用等。同时解决了低温地热水或热尾水排放后对环境造成的热污染的问题。地源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，所以，地源热泵机组的运行没有任何污染，相应了国家节能减排的政策。5.2一机多用，节约资金在该项目中，利用地源热泵系统提供冬季供暖的同时，还可提供夏季制冷，一机多用，从而避免了中央空调系统的重复投资，提高了设备的利用率。能源利用率高，投入1KW的电能可得到4KW的高品位热能，运行费用与常规方式相比更节约。5.3性能稳定，安全可靠土壤的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，土壤温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。地源热泵运行自动化程度高，便于操控，运行人员少，无压力容器存在，安全性好。机组体积小，可灵活安置在任何地方，节约空间。参考文献1.

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