2007年 - 某市XX国际大酒店地源热泵设计方案(docP37)

某市XX国际大酒店 地源热泵系统方案

北京某科技有限公司

2007年7月

某国际大酒店地源热泵系统方案

关于某国际酒店能源方案的说明

某国际大酒店占地103亩，总建筑面积约5.5万㎡，其中酒店部分建筑面积3.8万㎡，别墅部分建筑面积1.7万㎡。地埋管地源热泵系统（以下简称地源热泵系统）室外地埋管部分占地近1万㎡，除去建筑占地，项目有足够的面积用于室外地埋管。

一、负荷情况

某大酒店供热负荷为5200kw；供冷负荷为4300kw；生活热水负荷为2800kw。

别墅部分参考酒店负荷进行估算，总热负荷为2380kw；总冷负荷为1870kw。

二、对比方案

1、“燃油锅炉＋冷水机组”

系统按冷热需求分系统设计，按照总热负荷8000kw配置燃气锅炉、按照总冷负荷4300kw配置冷水机组及冷却塔，相应配置其它机房设备及室外管线。

2、“用燃油锅炉调峰的地源热泵系统”

用地源热泵解决基础负荷（总负荷的60%），用燃油锅炉解决调峰负荷（总负荷的40%）

按照酒店热负荷5200kw的60%，即3120kw配置地源热泵系统，按照酒店热负荷40%，即2080kw配置燃油锅炉。地源热泵系统可承担冷负荷3510kw，酒店冷负荷的其余部分790kw由冷水机组承担。

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某国际大酒店地源热泵系统方案

本项目中别墅部分的供暖及制冷完全由地源热泵系统来解决。 三、项目初投资估算

“燃油锅炉＋冷水机组”的形式总投资840万元；地源热泵系统的总投资为2642万元。室外地埋管部分寿命长达50年，如果按照20年的投资期折算，仅相当于708万元，系统投资相当于1580万元。

地源热泵系统中别墅部分考虑了分户供暖的方式，如不考虑分户的问题亦可按调峰方式并入酒店系统，可节约初投资305万元。

酒店部分费用表 序号 一、 1 2 3 4 二、 三、 四、 工程或费用名称 机房设备 燃油锅炉 热泵机组 冷水机组 水泵 机房配套设备 电气、控制系统 室外工程 地埋管 冷却塔 总计 单位面积造价 工程费用（万元） 燃油锅炉＋冷水机组 540 80 － 200 40 160 60 40 － 40 580 153元/㎡ 地源热泵＋锅炉调峰 615 35 270 55 40 160 55 1000 990 10 1615 425元/㎡

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某国际大酒店地源热泵系统方案 别墅部分空调系统费用表 序号 一、 1 2 3 4 二、 三、 四、 工程或费用名称 机房设备 燃油锅炉 热泵机组 冷水机组 水泵 机房配套设备 电气、控制系统 室外工程 地埋管 冷却塔 总计 单位面积造价 工程费用（万元） 燃油锅炉＋冷水机组 245 40 － 90 20 70 25 15 － 15 260 153元/㎡ 地源热泵 247 135 22 80 10 780 780 － 1027 604元/㎡

四、投资分析 1）运行费用表

单位（万元） 供冷费用 供暖费用 生活热水 费用总计 燃油锅炉＋冷水机组 30 412 70 512 地源热泵＋调峰 30 168 51 249 2）从上表可以看出，“地源热泵＋调峰”的方案每年比“燃油锅炉＋冷水机组”的方案节约运行费用263万元，前者的初投资比后者多1800万元，项目的回收期为6.9年。

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目 录

一、项目简介 ............................................................................................................... 5 二、设计依据 ............................................................................................................... 5 三、冷、热负荷估算 ................................................................................................... 5

1、气象参数 .......................................................................................................... 5

1）气象参数 .................................................................................................... 5 2）最冷月干球温度 ........................................................................................ 6 3) 最热月干球温度 ........................................................................................ 7 4) 太阳日总辐射年变化图 ............................................................................ 7 2、冷、热负荷 ...................................................................................................... 7 四、地源热泵系统介绍 ............................................................................................... 8 五、设计方案概述 ..................................................................................................... 10

1、方案概述 ........................................................................................................ 10 2、地埋管系统设计 ............................................................................................ 11 3、设备选型 ........................................................................................................ 13 六、经济性分析 ......................................................................................................... 13

1、初投资估算 .................................................................................................... 13 2、能源费用估算 ................................................................................................ 14

1) 室外温度变化曲线图 .............................................................................. 14 2）能源费用 .................................................................................................. 15

七、污水利用 ............................................................................................................. 18 附录一 华清工程业绩 ............................................................................................... 19 附录二 地源热泵系统介绍 ....................................................................................... 26

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一、项目简介

本项目位于吉林省白山市，项目包括五星级酒店建筑面积3.8万平米，别墅建筑面积1.7万平米，总建筑面积5.5万平米。

本方案拟采用绿色环保、高效节能的地源热泵系统作为能源系统，为酒店和别墅冬季采暖、夏季制冷；采用燃油锅炉解决生活热水需求，在夏季通过热泵系统的冷凝热回收技术获得免费的生活热水，春、秋过渡季采用地源热泵系统制取。

系统末端均采用风机盘管系统。

二、设计依据

1、《采暖通风与空气调节设计规范GB50019－2003》 2、《建筑给水排水设计规范GB50015-2003》

3、《通风与空调工程施工质量验收规范GB50243-2002》 4、《全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水》 5、《全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调?动力》 6、《公共建筑节能设计标准 GB50189-2005》 7、甲方提供的相关资料

三、冷、热负荷估算 1、气象参数 1）气象参数

下表根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》给出了吉林临江的设计用室外气象参数，白山市与临江市相距较近，可参考该地气象参数。 设计用室外气象参数 采暖室外计算温度 冬季通风室外计算温度 夏季通风室外计算温度

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单位 ℃ ℃ ℃ 数值 -21.3 -20.3 27.3 某国际大酒店地源热泵系统方案

夏季通风室外计算相对湿度 冬季空气调节室外计算温度 冬季空气调节室外计算相对湿度 夏季空气调节室外计算干球温度 夏季空气调节室外计算湿球温度 夏季空气调节室外计算日平均温度 冬季室外平均风速 冬季室外最多风向的平均风速 夏季室外平均风速 冬季最多风向 冬季最多风向的频率 夏季最多风向 夏季最多风向的频率 年最多风向 年最多风向的频率 冬季室外大气压力 夏季室外大气压力 冬季日照百分率 设计计算用采暖期日数 设计计算用采暖期初日 设计计算用采暖期终日 极端最低温度 极端最高温度

％ ℃ ％ ℃ ℃ ℃ m/s m/s m/s —— ％ —— ％ —— ％ Pa Pa ％ 日 —— —— ℃ ℃ 61 -24.3 72 30.7 23.5 25.1 0.4 1.6 1.1 NNE 5 N 16 N 14 98560 96840 60 168 10月23日 4月8日 -33.8 37.9 2）最冷月干球温度

最冷月干球温度变化图0-5干球温度(℃)-10-15-201月1日1月3日1月5日1月7日1月9日1月11日1月13日1月15日1月17日1月19日1月21日1月23日1月25日-25-30-35日平均温度(℃)日最高温度(℃)日最低温度(℃)1月27日1月29日1月31日

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3)最热月干球温度

最热月干球温度变化图3530干球温度(℃)252015107月1日7月3日7月5日7月7日7月9日7月11日7月13日7月15日7月17日7月19日7月21日7月23日7月25日7月27日日平均温度(℃)日最高温度(℃)日最低温度(℃)7月29日7月31日

4)太阳日总辐射年变化图

太阳日总辐射年变化图3025日总辐射(MJ/m2)201510501-12-13-14-15-16-17-18-19-110-111-112-12、冷、热负荷

建设方提供的酒店总热负荷为5200kw，折合137w/m；总冷负荷为4300kw，折合113w/m；生活热水负荷为2800kw。

别墅部分按照酒店负荷进行估算，热负荷指标按照140w/m，总热负荷为2380kw；冷负荷指标按照110w/m，总冷负荷为1870kw。

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四、地源热泵系统介绍

地源热泵系统是以地下岩土体为低温热源，由水源热泵机组、地温采集系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地源热泵系统设有垂直或水平埋设在岩土体中的地埋管换热器，通过地埋管换热器中传热介质的循环流动与岩土体进行热交换，冬季从地下岩土中吸收热量，由热泵机组提升能量品位后将热量释放到建筑物内，为建筑供暖；夏季将建筑物内的热量释放到地下岩土体中，为建筑物空调供冷。

地源热泵系统夏季供冷原理如下图所示：

冬季供暖原理如下图：

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地埋管地源热泵系统利用的浅层地温资源。浅层地温资源储存于地下土壤、岩石和地下水中，地下自然情况复杂，资源的产生、形成、储存、开采利用受到其所在区域的地质、水文地质条件的制约，项目实施前须对工程场区的地质、水文地质条件进行勘查。

影响地源热泵系统的地质、水文地质条件因素主要有：地层结构、岩土体热物性参数等地层条件；地下水含水层的分布、静水位、流速等水文地质条件；地温、水质等物理化学特性。

地源热泵是可再生能源利用技术，具有绿色环保、高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著、一机多用、自动运行等优点，被称为21世纪的“绿色空调技术”，是解决建筑供暖系统节能问题的重要技术之一。

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五、设计方案概述 1、方案概述

该项目地处山间盆地，第四系较薄，厚度为10米，下伏泥岩。在该类地层钻凿换热孔成本较高，为了相对准确地确定项目投资规模，需要在项目前期钻凿试验孔以确定单孔换热量和可行的钻凿深度。为了有效降低空调系统的初投资，特别是降低地埋管换热器系统的投资，减少运行费用，本方案设计采用调峰的方案，即用地源热泵系统提供系统所需的基础负荷，燃油锅炉解决大约40%的调峰负荷。地埋管换热器系统设计以基础负荷为依据，冷负荷的不足部分由冷水机组来承担。在本方案的设计中，酒店与别墅分别进行地源热泵系统的设计。

1)酒店部分

根据冬季热负荷设计室外地埋管系统，并进行热泵机组的配置选型。校核地埋管系统的放热能力后，确定能够解决的夏季冷负荷大小，不足的部分用冷水机组加冷却塔的方式解决。

系统末端采用风机盘管，冬季采暖热水供回水温度为45/40℃；夏季冷冻水供回水温度为7/12℃。生活热水冬季由燃油锅炉提供，夏季采用冷凝热回收的方式免费获得，春、秋过渡季采用地源热泵系统制取。

2)别墅部分

别墅群设计统一的地埋管换热器系统，单个别墅室内设置独

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立的热泵机组。根据冬季热负荷设计室外地埋管系统，并进行热泵机组的配置选型。

系统冬季供暖供回水温度为45/40℃；夏季制冷供回水温度为7/12℃。

3)地源热泵供暖、制冷的系统原理图如下所示：

2、地埋管系统设计

冬季热泵效率（COP）取为4，地源热泵承担总热负荷的60%

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（3120kW），需要从土壤中吸收热量2340kW。根据我公司多年的实际工程经验给出设计孔深和单位孔深的换热量，在实际施工图设计中要以现场的实际勘察数据为计算依据。地埋管吸热量取为50W/m，放热量取为90W/m，以此作为方案计算的依据。其中埋地孔深按150m设计，孔间距按照5m×5m，实际地埋管的敷设根据建筑物周围的绿地，道路等进行调整。地埋管采用高密度聚乙烯管，双U垂直埋设。则冬季埋地换热器与周围土壤的换热情况见下表。

1)酒店部分

冬季地埋管系统计算表

热负荷 (kW) 3120 从土壤中吸热 (kW) 2340 单位孔换热量(W/m) 50 孔深 （m） 150 孔数 (个) 312 孔间距 占用面积 （m×m） （m2） 5×5 7800 地埋管系统夏季校核计算表

孔数(个) 312 孔深 （m） 150 孔间距 （m×m） 5×5 占用面积 单位孔换热量向土壤中放热可承担冷负荷(W/m) (kW) (kW) （m2） 78000 90 4212 3510 室外布312个换热孔，占地面积约为7800m2。 2)别墅部分

冬季地埋管系统计算表

热负荷 (kW) 2380 从土壤中吸热 (kW) 1785 单位孔换热量(W/m) 50 孔深 （m） 150 孔数 (个) 240 孔间距 占用面积 （m×m） （m2） 5×5 6000 地埋管系统夏季校核计算表

孔数(个) 240 孔深 （m） 120 孔间距 （m×m） 5×5 占用面积 单位孔换热量向土壤中放热可承担冷负荷(W/m) (kW) (kW) （m2） 6000 90 3240 2700 室外布240个换热孔，占地面积约为6000m2。

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3、设备选型

主要设备选型如下表所示： 1)酒店部分

额定功率 （kW） 37 30 4 2.2 200 设备 地源热泵 空调侧循环泵 地源侧循环泵 空调侧补水泵 地源侧补水泵 其他 型号 WPS QPG200-315A QPG200-260 QPG50-200A QPG50-160A 备注 3台 3用1备 2用1备 2用1备 2用1备 额定电功率: 1600kW，不含生活热水系统。

2)别墅部分

设备 地源热泵 水泵 空调侧循环泵 地源侧循环泵 地源侧补水泵 额定功率 （kW） 45 5.5 11 2.2 型号 WPS060.1B QPG80-160B QPG125-260A QPG50-160A 备注 11台 1用1备,11套 3用1备 2用1备 额定电功率: 600kW，不含生活热水系统。

六、经济性分析 1、初投资估算

1)酒店部分 序号 一、 1 2 3 4 工程或费用名称 机房设备 主机 冷水机组 燃油锅炉 水泵 费用 270 55 35 40 备 注 3台 1台 3吨 屏蔽泵 13

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软水设备、分集水器、水箱、定压罐、工艺管线、管道附件 设备、工艺管线、管道附件安装 低压配电柜及电气安装 312个150米深的孔，高密度聚乙烯，双U垂直埋设 建筑面积3.8万m 25 6 7 二、 机房配套设备 机房配套安装 电气、控制系统 室外工程 90 80 55 990 1615万元 425元/m 2垂直打孔、双U管埋设、水平联络管 总计 估算造价 三、 四、 注：以上初投资为根据现有条件的粗略估算，不含电力增容、土建、末端部分，实际工程造价以施工图预算为准。

2)别墅部分 序号 一、 1 2 3 4 二、 工程或费用名称 机房设备 主机 水泵 机房配套设备及安装 电气、控制系统 室外工程 费用 135 22 80 10 780 1027万元 604元/m 2备 注 11台热泵 11组22台屏蔽泵 分集水器、工艺管线、管道附件 低压配电柜及电气安装 240个150米深的孔，高密度聚乙烯，双U垂直埋设 建筑面积1.7万m 2垂直打孔、双U管埋设、水平联络管 总计 估算造价 三、 四、 注：以上初投资为根据现有条件的粗略估算，不含电压增容、土建、末端部分，实际工程造价以施工图预算为准。

2、能源费用估算 1) 室外温度变化曲线图

室外温度是随时间波动的，下图给出了外温随日期的变化曲线。

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日干球温度统计4030干球温度（℃）20100-101-1-20-30-40-502-13-14-15-16-17-18-19-110-111-112-1日平均温度(℃)日最高温度(℃)日最低温度(℃)

2）能源费用

① 供热负荷与外温的变化关系曲线

供热负荷随着室外温度的波动在不断变化中，下图为相对供热负荷与外温的变化关系曲线：

负荷－外温1.201.000.800.600.400.200.00负荷比-26.0-204.0-200.0-106.0-102.00-8.00-4.000.004.008.009.00室外温度

② 能源费用

1). 酒店部分供暖能源费用：

A供暖期取为168天，当量满负荷运行时间为6小时，则供暖年耗热量为：

Q=6×5200×168=5241600kW.h/a

a)热泵电费：70万元 燃油费：31万元 水泵电费：21万元

总费用122万元。

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b)燃油锅炉供暖费用为282万元。

B供冷期取为60天，当量满负荷运行时间为4小时，则供暖年耗热量为：

Q=4×4300×60=1032000kW.h/a 热泵电费：16万元 水泵电费：7万元 C热泵供暖供冷总能源费用为：145万元 单位面积费用为：38元/m.年 2). 别墅部分供暖能源费用：

A供暖期取为168天，当量满负荷运行时间为6时，则供暖年耗热量为：

Q=6×2380×168=2399040kW.h/a

a)热泵电费：36万元 水泵电费：10万元 总费用46万元。

b)燃油锅炉供暖费用为130万元。

B供冷期取为60天，当量满负荷运行时间为4小时，则供暖年耗热量为：

Q=4×1870×60=448800kW.h/a 热泵电费：5万元 水泵电费：2万元 C热泵供暖供冷总能源费用为：53万元 单位面积费用为： 31元/m.年 3). 制取生活热水的能源费用：

假设某国际大酒店全年供应热水天数共计300天，每天供给

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量为100m，冬季供暖的168天内，系统均采用燃油锅炉供应生活热水，下面对夏季及过渡季的132天制取生活热水的成本进行测算。

燃料价格 加热总量 自来水温升 加热费用 单位成本 测算说明： A. B.

供冷季按60天运行期计算， 供暖季按168天计算。 水泵运行电费取0.781元/kW.h，热泵运行费用计算中

燃油锅炉 5.3元/kg 13200吨 40℃ 30.7万元 23.3元/吨 地源热泵 0.781元/kwh 13200吨 40℃ 12.3万元 9.3元/吨 3

时考虑负荷分布与峰谷电价分布的特点，取平均电价0.6元/kW.h，燃油费为5元/kg。

C.上述运行费用测算未考虑入住率的影响因素，是根据现有条件的粗略估算。

说明：

1、初投资，不含电压增容、土建、末端部分，生活热水由燃油锅炉解决。

2、在工程实施过程前要进行现场钻孔试验，根据试验结果及详细的当地水文地质条件，优化技术方案，作出详细的设计方案，以保证系统长期安全、稳定、高效地运行。

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七、污水利用

本项目建设条件具备480m/d的污废水排水条件，如结合热泵加以利用，可建成约200kw的污水水源热泵系统，解决部分建筑面积的供热制冷需求，相当于钻凿23个换热孔，可降低初投资约70万元。

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附录一 华清工程业绩

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 天湖国际会议酒店地源热泵空调系统工程 北京市房山区 整个酒店空调、生活热水 4万㎡ 北京市天创房地产开发有限公司 北京市房山区青龙湖镇 该工程在地下水贫乏的基岩地区采用地源热泵系统，设计钻孔218个，利用先进的热泵机组，实现酒店的夏季供冷、冬季供暖，以及提供全年的生活热水。该项目为市发改委的科研示范项目。 备 注

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 中国人民武装警察部队警卫局培训 基地地源热泵设备改造工程 北京市昌平区北七家镇 综合建筑群空调、生活热水及游泳池加热 3.6万㎡ 中国人民武装警察部队警卫局 北京市昌平区北七家镇 采用垂直埋管式的地源热泵系统来提供所有建筑的冬季供备 注 暖和夏季制冷、以及全年生活热水和游泳池用水的加热。

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 朝阳区绿化局办公楼地源热泵空调系统 北京市朝阳区 0.4万平米建筑面积供暖制冷、提供生活热水 2003.9-2003.12 0.4万㎡ 朝阳区绿化局 红领巾公园西区 北京市朝阳区绿化局位于红领巾公园西区，建筑面积0.4万平米，采用埋管地源热泵对规划区域供暖制冷，并采用热回收方式提供生活热水。 备 注

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 石油管理干部学院地源热泵系统工程 北京市朝阳区 冬季供暖、夏季空调及生活热水提供 5万㎡ 石油管理干部学院 朝阳区立水桥甲1号 备 注 本建筑位于北京市朝阳区立水桥甲1号，是地源热泵系统工程，该工程利用土壤作为热泵的冷热源，冬季提供55/45℃的空调水，夏季提供12/7℃的空调水。 20

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 用友软件园地源热泵工程 北京市海淀区 供暖制冷、提供生活热水 2004.12月已签合同 27万㎡ 用友软件园 北京市海淀区 备 注 结合冰蓄冷为27万m2的建筑提供供暖制冷。冬季提供40/45℃的空调水，夏季提供12/7℃的空调水。

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 当代万国城地源热泵中央空调系统 东直门东北角‘ 冬季供暖、夏季制冷、生活热水 合同已签 22万㎡ 北京天成天房地产开发有限责任公司 北京市朝阳区 包括公寓13万m2、宾馆5000m2、商场5500 m2、电影院2500 m2、幼儿园3000 m2、地下室约55000 m2。本工程的目标是建设一座高舒适度、低能耗、健康、绿色、环保型的里程碑式建筑，使其成为引领国内地产市场走向的一面旗帜。 备 注 工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 北方国家林木种苗基地地源热泵供暖工程 国家北方苗木培养基地 冬季供暖 在建 2万㎡ 国家北方苗木培养基地 国家北方苗木培养基地 备 注 该工程规划区域为2万㎡大棚，利用地源热泵空调系统实现冬季供暖，满足植物生长需要，同时不会污染周围环境，营造了良好的生态环境。

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 北京海剑大厦水源热泵空调系统改造工程 北京市海淀区 冬季供暖、夏季制冷及生活热水提供 2.6万㎡ 北京海剑大厦 海剑大厦 本建筑位于北京市海淀区厂洼路8号，是海剑大厦办公楼空调系统改造工程，该工程利用15℃的浅层地下水作为水源热泵的冷热源，采用水源热泵，冬季提供55/45℃的空调水，夏季提供12/7℃的空调水。 备 注

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 燕山办事处办公楼污水源热泵工程 北京市房山区 整个办公楼冬季供暖、夏季制冷 2万㎡ 北京市房山区人民政府燕山办事处 北京市房山区 该项目利用污水作为燕山办事处办公楼冷热源，不存在任何污染问题，对北京市污水热能的开发利用具有典型的示范作用，可为北京市建设可再生能源产业化、能源利用多元化，发展循环经济，建设节约型城市，实现可持续发展发挥良好的推动作用。 备 注

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 空军丰台招待所水源热泵空调系统工程 北京市丰台区 供暖制冷、提供生活热水 2.5万㎡ 空军丰台招待所 丰台区七里庄路22号 空军丰台招待所位于丰台区七里庄路22号，是空政系统一所集住宿、会议、餐饮、娱乐于一体的综合性其中主楼、北楼为客房、餐厅及会议室，两楼具有大小会议室10多个，客房200余间，要求冬季供暖、夏季供冷，并且24小时提供生活热水；其它各楼要求冬季供暖，散热器为普通四柱铸铁暖气片。 备 注

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 建筑面积 业主名称 业主地址 天桥地矿局水源热泵空调系统工程 北京市宣武区 冬季供暖、夏季空调 1.19万㎡ 北京市地矿局 北京市宣武区南纬路4号 备 注 建筑面积为7000㎡的办公楼需冬季供暖、夏季空调。家属宿舍及附属用房4880㎡只需冬季供暖。对原有燃煤锅炉进行了改造，安装新型的无污染、节能的供暖（制冷）设备。

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工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 北京商务会馆水源热泵空调工程 北京市丰台区 供暖制冷、提供生活热水 2003.7 –2003.12 2.98万㎡ 北京商务会馆 北京市右安门玉林里1号 北京商务会馆位于右安门玉林里1号，是燃煤锅炉系统改造工程，该工程利用15℃的浅层地下水作为水源热泵的冷热源，采用水源热泵，冬季提供55/45℃的空调水，夏季提供12/7℃的空调水。 备 注

工程名称 工程地点 工程施工服务范围 合同施工期 建筑面积 业主名称 业主地址 地热水系统、B会所地源热泵空调系统设计与施工 北京昌平区马坊 冬季供暖、夏季制冷、生活热水 合同已签 3400㎡ 北京天成天房地产开发有限责任公司 北京市朝阳区 本项目别墅491栋，会所3座，会所高度为8.5米，地上二层，地下一层，主要功能为餐饮服务。采用地源热泵系统用于冬季供暖、夏季制冷以及泳池水加热。 备 注

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附录二 地源热泵系统介绍

一． 地下能量（地能）简介

地能是指埋藏在地下的、由于与地表大气温度有差异而可以被人类利用的能源。按照埋藏深度的不同可分为：深层地能（包括深层地热水和干热岩）和浅层地能（主要为浅层恒温层以下的能量）。地能的载体形式有：水、岩石、土壤。

深层地能一般温度较高，可以直接利用其热能（如发电、温室养殖、供暖、洗娱等）；而浅层地能一般指地表以下常年温度保持恒定的热能，由于该部分的能量主要靠吸收并储存太阳辐射的能量，因此其与地表大气的温差较小，直接利用其能量效率会很低、不经济，因此对浅层地能的利用需要借用辅助设备。目前的辅助设备主要有水源热泵（通过地下水为介质提取地下的能量）和地源热泵（从浅层土壤中提取能量）。 二． 地源热泵系统简介

1、热泵系统、地源热泵系统的概念

通常所说的热泵系统是指以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的系统，其一个热源（冷源）是建筑物内部的环境，就其另一个热源（冷源）的性质来分，可分为空气源热泵、水源热泵和地源热泵等几大类。空气源热泵的热源（冷源）为室外空气，水源热泵的热源主要是浅层地下水。由于室外空气温度随气候而变化，并且温度越低时供热量越小，热泵的效率会大大降低。以

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浅层地下水为热源的水源热泵系统受诸多条件的影响和限制：地下水文地质条件、回灌技术条件、对地下水的污染评价、政府对开采地下水的政策等。地下水文地质条件决定了所在区域的地下水的抽水量的情况，而回灌技术目前仍然不成熟，对于全部回灌存在一定困难，而且将用后的水回灌到地下可能会对地下含水层造成一定的污染，这也是政府部门所担心的。

另一种热泵为地源热泵（Ground-Source Heat Pump），地源热泵的广义理解是指以一切与地有关的能量作为冷热源的热泵，包括以地下水为冷热源的水源热泵、以池塘、河流和湖泊等为冷热源的地源热泵等。这里所指的地源热泵是指狭义的理解，指利用大地作为热源，其通过地下换热器直接与大地土壤进行热交换，而不需要开采地下水的地源热泵。由于在地表以下一定深度的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，这样地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，大大提高效率。而且不需要开采地下水，这样可以消除水源热泵开采地下水所带来的不利影响。

此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在冬夏负荷相平衡的情况下，在地源热泵系统中的大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。可以大大减少对化石燃料的

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消耗，减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。

2、地源热泵系统的发展过程

地源热泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。由于石油危机的影响，地源热泵在70年代得到较大的发展。

1985年美国共有14,000台地源热泵，而1997年一年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且每年以10％的速度稳步增长（1999年个人用户增长11%，商业用户增长35%）。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19％，其中新建筑中占30％。美国已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划最终达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植1百万英亩的树木，每年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用还可再增加1.7亿美元。 此外，在美国还成立了国际地源热泵协会。

3、 地源热泵系统的分类

地源热泵系统室外地下换热环路（即地下热交换器）采用埋管（即埋置地下热交换器）的方式来实现，埋管方式多种多样。目前国外普遍采用的有垂直埋管和水平埋管两种基本的配置形

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式（如图所示）。

垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下热交换器以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。

水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将HDPE管水平的埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺。

水平埋管和垂直埋管示意图

地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管占地面积大，而且水平埋管的地下热交换器受地表气候变化的影响较大，效率较低，因此水平埋管的地源热泵系统在多数场合不适合中国人多地少的国情。因此，在地源热泵系统的室外地下换热系统中，我们重点研究垂直埋管系统。在以下所提到的均为垂直埋管的地源热泵系统。

4、地源热泵系统的组成

地源热泵冷暖空调系统主要由3部分组成：室外地下换热环路（地下热交换器）系统、地源热泵机组、室内换热系统。

室外地下换热环路系统

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室外地下换热环路系统由埋设在地下的HDPE管（高密度聚乙烯管）、孔内填充材料和循环水泵及相关附属部件组成。循环水泵驱动HDPE管路中的循环液体（一般为水或加入防冻剂的水溶液），使其不断循环，将地下的能量置换出作为地源热泵系统的冷热源。

（1）室内换热系统

室内换热系统由室内循环系统、电气自控系统、室内末端系统（多为风机盘管）及相关附属部件组成。该部分的作用是将已经调节好的空气分配到建筑物中去，从而实现建筑物内的供暖和制冷。

（2）地源热泵机组

地源热泵机组是室外地下换热环路系统与室内换热系统的连接点，其通过输入一定的动力，使压缩机做功，室机组内部的制冷剂进行循环，从而将室外地下环路中的能量传送到室内换热系统中去。

5、地源热泵系统工作原理 （1）制冷原理

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。地源热泵机组蒸发器中的冷媒吸收室内循环系统中所携带的热量而蒸发，这样就将室内循环系统中所携带的热量吸收至冷媒中，然后压缩机对冷媒做功，将蒸发器中的

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冷媒蒸汽压缩到冷凝器中，在冷凝器中，冷媒所携带的热量传递给室外的地下热交换器环路系统中，这样冷媒在放出热量后而凝结成液体，并流到蒸发器中，而室外地下热交换器环路系统中的循环液体在吸收了冷媒的热量后，将该部分热量携带到地下，把热量释放到大地中。这样，各环路不断的循环，室内的热量就不断的被转移至地下，从而实现建筑物的制冷。

（2）制热原理

在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。地源热泵机组蒸发器中的冷媒吸收室外地下热交换器环路系统中与大地所交换的热量而蒸发，这样，就将室外热交换器环路中的热量吸收至冷媒中，然后压缩机对冷媒做功，将蒸发器中的冷媒蒸汽压缩到冷凝器中，在冷凝器中，冷媒所携带的热量传递给室内循环系统，这样冷媒在放出热量后而凝结成液体，并流到蒸发器中，而室内循环系统的循环液体在吸收了冷媒的热量后，将该部分热量携带到建筑物内，这样，各环路不断的循环，地下的热量就不断的被转移至建筑物内，从而实现建筑物的供暖。

6、地源热泵系统的特点

高效节能 —— 热泵的运行方式，使能量输入和输出之比，在供热状态可达1:3以上，制冷状态为1:5左右；即使在部分负荷状态下，也能高效运行，运行费用仅为传统中央空调的40～

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60％。

安全可靠 —— 无任何爆炸或燃烧隐患，地下换热器采用高密度聚乙烯塑管，寿命长达50年，少数备用机组即可保证空调正常供给，维修简易，费用低廉。

节省投资 —— 不必设置大型中央主机机组，节省机房面积；无锅炉房，节省锅炉房面积，节省煤场面积，节省工人开支；可分期投资，任意扩展空调房间。

结构简单 —— 无需锅炉房，无需冷却塔，系统简单清楚，容易与建筑装饰相配合，保持建筑外观美观；无室外机部件，无需除霜。

分区灵活 —— 分区容易，设置灵活，各分区调节简单，个别设备的故障，不影响其它区域的使用；非逗留区可随时停用。

分户计量 —— 可分户计量核算，计费合理、方便。 环保零污染 —— 不需锅炉房，也就没有了煤、油污染，还天空以蔚蓝；地下管路密闭，无任何地下水污染，保大地之纯净。

使用范围广泛 —— 既可制冷，又可制热，不需必备集中供热，不需必备地下水，不需必备较大室外面积，凡电力到达的地方，都可应用。

地源热泵系统实施步骤和适用范围

对于一个大型的地源热泵系统，其实施步骤如下：（1）计算

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建筑物所需要的冷暖负荷，初步确定场地的许可性；（2）在预实施地钻地质勘探孔，搞清地下地质及水文地质情况；（3）利用该勘探孔进行土壤的热物性（地层的热传导系数、比热等）测试；（4）结合建筑物所需要的冷暖负荷、地质情况和试验所取得的热物性参数，进行系统设计（包括室内系统设计、地源热泵选型和室外地下换热环路的设计，其中室外地下换热环路的设计主要为布孔数量、孔深、孔间距、孔内填充材料、U形管和U形管在孔内的布置方式）；（5）根据设计进行设备招标和安装；（6）安装完毕，进行系统调试、试运行；（7）调试合格，进行验收。对于小型的地源热泵系统可以省略第（3）步，而可以通过地层分类来查表，查出地层的热物性，但这样比较粗略。

地源热泵系统可用于办公楼、宾馆、医院、饭店、商店、超市、学校、别墅、居民小区等各类需要提供冷暖的建筑，并可提供生活热水。其对地质条件要求不严格，地下有无水都可用。 三． 地源热泵系统的研究重点和方向

1、场测试地层热物性技术的研究

地层的热物性参数是进行地源热泵系统设计的最重要的参数，尤其是热传导率（系数）。由于地层的热物性随着其密度和湿度的不同而变化，同一类型的地层其热物性的变化范围比较大。而且，地层的密度和湿度一般不知道，因此在进行地源热泵系统的设计时，仅根据地层的类型来选取其热物性参数，为了安

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全起见，应选最小值，这可能就会造成系统的过大设计，增加初投资。

对于大型地源热泵系统，为了确切获得地层的热物性参数，必须进行现场热物性测试。目前的测试方法一般是在现场钻一孔，安装U形管，填入填充材料，然后不断使热水在其内循环一定的时间(国外的经验一般为50小时以上)。并测量所输入的能量、U形管进出口温度。下图为现场测试系统的示意图[D4]。

Constant hot water sourcevoltsPower UsageampsData AcquisitionSystemHeaterPumpTemperature InTemperature OutFlow SensorGround heat exchanger in place (grouted) 通过分析所测得的数据，可以计算地层的热传导率。而计算地层热传导率的方法也有多种，目前，所采用的方法主要有线热源模型、柱热源模型和数字模型。（其中GPM就是一个根据试验记录数据计算热物性参数得软件）。

2、井孔填充材料和U形管安装方式的研究

目前，地下热交换器的设计，即井孔的设计，一般都采用在

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孔内安装单根高密度聚乙烯U形管，并用膨润土填充。这种设计可以使地下含水层免受污染，并且也是可靠的。但是，由于膨润土是一种传热性很差的材料，而且U形管在孔内会接触在一起，发生热“短路”现象，这都会影响整个地下换热器的换热性能。

美国的OSU（Oklahoma state university）分别对使用弹簧支撑架和不同填充材料的换热器进行了试验。弹簧支撑架的功能将U形管的两只尽可能的分开，使其尽可能的与孔壁相靠，从而减少U形管的两支管之间的热干扰。填充材料主要是通过添加某种材料来增强其传热性能。该试验分别对5眼地下换热孔进行了试验，所有的试验的输入热量是相同的。其试验结果如下图：

在上图中，各曲线从上到下分别为：（1）U形管标准安装，填充材料为27%膨润土的浆液；（2）U形管两只之间使用弹簧支

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撑架，支撑架之间的间距为3.05米，填充材料为27%膨润土的浆液；（3）U形管两只之间使用弹簧支撑架，支撑架之间的间距为1.52米，填充材料为27%膨润土的浆液；（4）U形管标准安装，填充材料为增强传热性的材料；（5）U形管两只之间使用弹簧支撑架，支撑架之间的间距为1.52米，填充材料为增强传热性的材料。试验结果表明，在试验的场地，第（5）种安装可以比第（1）种减少30%的井孔总进尺。

美国的GBT公司也对不同填充材料和U形管安装形式的能量影响范围和传导率进行了比较。分别如下：

能量影响范围比较 使用弹簧支撑架与否的比较

3、混合型地源热泵系统（Hybrid ground source heat pump system）

混合型地源热泵系统是指地下换热器与地面上其它辅助冷

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热源（如冷却塔、液体冷却器、冷却水池、太阳加热器等）相结合的空调系统。在地源热泵系统中，如果系统冬季从地下所提取的热能与夏季排入地下的热能不平衡，特别是当该不平衡较大时，会造成地温的升高或降低，从而影响系统的运行效率。有研究证明，在这样的不平衡系统中，加入辅助冷热源，即采用混合型地源热泵系统会降低投资，保证系统的运行寿命。下图为一个与冷却塔相结合的示意图。

4、设计方法的开发（设计模拟软件的开发）

为了使地源热泵系统的设计更加方便、可靠，国内外很多研究机构都在积极开发地源热泵系统的模拟、设计软件。一个好的模拟、设计软件可以使系统的设计更合理、运行更安全节能。目前，国内的设计模拟软件主要有GSTAR(地热之星)，国外的有GLDesign(ground loop design)、TRNSYS、HVACSIM+ [D8]等。

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