某办公区冷热源系统的方案比选

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

某工程位于太原市西矿街，包括3栋主楼，以公共建筑为主，总建筑面积(不含地下面积)43 000m2。分别为1栋18层20 000m2的综合楼，1栋12层11 000m2的综合楼(在建)以及1栋16层12 000m2的宾馆。根据建设单位的要求，需对该工程进行供热及供冷。

常规的采暖方式有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等。常规的制冷方式有大型冷水机组、户用分体式空调等。燃油、燃气锅炉一般用于油气丰富的地区，而山西省煤炭资源丰富，油气资源相对紧张，如选用锅炉建议采用燃煤锅炉。小型户用空调的能效比较低，公共建筑如整体制冷不建议采用户用空调，采用大型冷水机组较经济。

本文以该工程冷热源系统的方案比选为例，对常规冷热源与地源热泵系统进行技术经济比较。

1 设计参数

1.1 气象参数

(1)夏季：室外干球温度33.1 ℃；室外湿球温度24.9 ℃；大气压力95 160Pa；室外平均风速1.80m/s。

(2)冬季：空调计算温度-10 ℃；供暖计算温度-7 ℃；大气压力96 940Pa；室外平均风速1.70m/s。

1.2 室内设计参数

该工程室内设计标准为：室内制冷24～26 ℃；室内制热18～20 ℃；相对湿度40%～55%。

1.3 冷热负荷估算统计

按节能建筑估算的冷热负荷见表1。

1.4 供热现状

场地内现有1台3t的热水锅炉供暖，实际供回水温度为70 ℃/50 ℃，已使用5年，现损坏严重。另外现有锅炉房占用规划路，需在院内重新选址设锅炉房。

表1 冷热负荷估算

2 常规供热(冷)方案

2.1 方案一：型煤锅炉+大型冷水机组

2.1.1 初投资估算

热源选用型煤锅炉，因原有锅炉房占用规划路，需在院内重新选址设锅炉房。冷源各个楼分别选用大型冷水机组，并在楼顶分别设立空调机房。冷热源选型见表2，工程初投资估算费用见表3。

表2 方案一的冷热源选型

2.1.2 年运行费用估算

冬季采暖按150d计，夏季供冷按105d计。根据相关工程经验，冬季运行费用5.86元/(月·m2)，夏季运行费用7.65元/(月·m2)。冬季运行费用共计126万元，夏季运行费用共计115万元，每年运行费用合计254万元。

表3 方案一的工程初投资估算费用1)

2.2 方案二：集中供热+大型冷水机组

2.2.1 初投资估算

热源选用集中供热并在院内设换热站。冷源各个楼分别选用大型冷水机组，并在楼顶分别设立空调机房。冷热源选型见表4，工程初投资估算费用见表5。

表4 方案二的冷热源选型

表5 方案二的工程初投资估算费用1)

2.2.2 年运行费用估算

冬季采暖按5个月计，夏季供冷按3.5个月计。根据太原市集中供热采暖费收费标准，冬季运行费用5.8元/(月·m2)，夏季运行费用7.65元/(月·m2)。冬季运行费用共计124.7万元，夏季运行费用共计115万元，每年运行费用合计239.7万元。

3 地源热泵系统方案

3.1 地源热泵简介

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)进行供热制冷的高效节能空调系统。

与锅炉(燃料)供热系统相比，锅炉供热能将90%以上的电能或70%～90%的燃料能转化为热量供用户使用。地源热泵可比燃气锅炉节省1/2以上的能量；地源热泵的热源温度一般为13～18 ℃，其制冷、制热系统的性能系数COP值可达3.5～5.5，传统的空气源热泵的相应数值是3～4，地源热泵的制冷性能要高出很多，而其运行费用仅为普通中央空调的40%～60%。

3.2 方案范围及系统形式

(1)方案范围：地源侧系统、机房系统、末端系统。

(2)系统形式：土壤源热泵系统(以封闭的水为循环介质)。

3.3 方案具体说明及相关配置介绍

根据该工程的具体情况，推荐采用地源热泵供暖空调系统。主要出于以下考虑：

(1)该系统消耗的能量为电能，利用能量为电能和浅层水所蕴含的热能，系统运行安全，无燃煤、油、气装置及相关的储存设施，70%以上的能量来自于地下岩土，节能环保。

(2)该系统为整体式冷暖空调系统，一套系统完成空调、采暖两种功能，节省投资，减少占地，而且维护简便，使用寿命长。

(3)该系统为全电控系统，操作简便，人性化程度高。空调、采暖运行通过阀门切换。

因该项目尚未做热物性测试，地埋孔深度暂时按150m计算，每延米换热器的综合换热量按40W/延米计算，换热系统主管采用大管径双U型设计，以减小系统阻力。垂直埋管管径为DN32，既保障管径足够大，大到可以满足换热系统水的流量；也保障管径足够小，小到循环水在垂直埋管处于紊流状态，以增加换热效率。

3.4 方案设计

3.4.1 地埋管计算

该工程以采暖为主，故以冬季采暖来进行地埋管设计。

冬季需从地下提取的热量为：1 935kW；冬季地埋管换热器长度为：38 700m。

地埋管换热器井数为360口井，地埋管采取矩形布置，间距以3.5m计，预计占地面积4 410m2。

3.4.2 主机选型

地源热泵主机选型见表6。

表6 地源热泵主机选型

选用两台GSHP1020Ⅱ地源热泵主机，互为备用。主机、循环泵、水处理设备等均置于机房内。

空调水水温夏季为7 ℃/12 ℃，冬季为40 ℃/45 ℃。

以上设计均是依据工程经验，待初步设计时会根据试验井的热物性测试结果，进行科学合理的设计，详细的设计计算将在施工设计阶段完成。

3.4.3 机房设备估价

地源热泵机房设备估价见表7。

表7 地源热泵机房设备估价表

3.5 工程总投资估算

地源热泵系统工程总投资估算见表8。

表8 地源热泵系统工程初投资估算表1)

另外，根据山西省人民政府办公厅《关于加快既有建筑节能改造工作的意见》(晋政办发[2008] 10号)，采用地源热泵系统可按50元/m2的标准获得政府补贴，即43 000m2共获补贴资金215万元。

3.6 运行费用估算

冬季采暖按150d计，夏季供冷按105d计。根据相关工程经验，冬季运行费用4.2元/(月·m2)，夏季运行费用4.35元/(月·m2)。冬季运行费用共计90.3万元，夏季运行费用共计65.5万元，每年运行费用合计155.8万元。

3.7 地源热泵系统的特点

(1)主机房小，安排灵活方便。

(2)减少了相应的锅炉房建设费用，省去了炉渣、煤场等的占地。

(3)没有冷却塔等庞大笨重的附属设施，不影响建筑外观。

(4)不需要支付昂贵的燃气接口费用和庞大的燃气费用。

(5)运行费用稳定，易测算。

(6)系统维护方便，维修量小。

3.8 地源热泵系统的环境效益

该工程采用地源热泵技术的节能减排量见表9。

表9 地源热泵技术的节能减排量

4 结语

经过对几种方案的技术经济比较，该工程的冷热源系统决定采用地源热泵系统。项目的实施不仅改善了小区周边的环境，避免了排烟对环境的影响，同时减少了“三废”的排放，具有明显的社会效益、环保效益、经济效益。

参考文献：

[1] 马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 贺平，孙刚，王飞，等.供热工程[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，2009.