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地源热泵空调技术应用介绍


地源热泵空调技术应用介绍

河北省电力勘测设计研究院 河北省电力公司 2012年4月

主要内容
一、地源热泵技术国内外发展状况 二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义

三、地源热泵简介
四、地源热泵适用条件 五、地源热泵全寿命周期分析 六、推广应用建议 七、工程应用实例

一、地源热泵技术国内外发展状况

一、地源热泵技术国内外发展状况
(一)地源热泵发展历史
1904年第一台地源热泵 在意大利诞生,1912瑞典人 申请专利。 20世纪80年代引入我国 开始地源热泵技术的研究, 90年代开始广泛应用。

一、地源热泵技术国内外发展状况
(二)地源热泵技术国外的发展状况
数量(台) 时间 450000 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0
1 2

19%
1 2

在美国1998年地源热泵已占空调 的19%
30%

在美国近二十年地源热泵在 飞速发展

在美国1998年地源热泵已占新建 建筑空调的30%

一、地源热泵技术国内外发展状况
(三)地源热泵技术国外的发展状况
近5年来,地源热泵技术开始大量应用于工程实践,
1996 年至今,辽宁、北京、河北、山东、河南、江苏、浙 江、湖北、上海等相继建成了地源热泵工程,基本覆盖了我

国大部分地区。以北京地区为例,2000年源热泵应用项目的
建筑面积仅为17万平米,2005年达到300万平米,到2011年 达到4500万平米,地源热泵技术已在国内迅猛发展。

二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义

二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义
(一)变电工程地源热泵技术应用的目的和意义
针对日益严峻的资源、环境问题,《十二五规划纲要》
提出“推广先进节能技术和产品,加强节能能力建设”的口 号。

地源热泵属“绿色、环保、节能”空调技术,将地源热
泵空调技术引入变电工程建设中,有助于加快“环境友好, 能源节约、工业化”变电站的建设步伐,是国网公司“两型 一化”精神的重要体现。

三、地源热泵简介

三、地源热泵简介
(一)什么是地源热泵
地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量,包括土壤、
地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源,再由 热泵机组向建筑物供冷、供热的系统,是一种利用可再生能

源的新型中央空调系统。

三、地源热泵简介
(二)地源热泵有哪些分类
地源热泵系统分为地下水源热泵、地表水源热泵和土壤
源热泵(又称地埋管地源热泵),我们通常所说的地源热泵 一般指土壤源热泵,地源热泵系统一般可分为以下几类:

1.土壤源热泵系统;
2.井水源热泵系统; 3.地表水热泵系统;

三、地源热泵简介

夏季制冷示意图

冬季制热示意图

三、地源热泵简介
1.土壤源热泵系统

由于地下土壤温度常年恒定,冬季通过热泵把大地中的
热量升温后对建筑供热,同时向大地中注入冷源,蓄存冷量; 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。
在地源热泵系统中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。这种借助于地埋管换热 器完成与土壤源的冷热交换的热泵系统可称之为“土壤源地 源热泵”。

三、地源热泵简介
2.井水源热泵系统(地下水热泵系统) 通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接 送至水源热泵机组,经提取热量或释放热量后,再由回灌井 群灌回地下。

三、地源热泵简介
3.地表水热泵系统 通过直接抽取或者间接换热的方式,利用包括江水、河 水、湖水、水库水以及海水作为热泵的冷热源。

三、地源热泵简介
(三)地源热泵有哪些特点
对比内容
室内舒适性 维修费用 冷却形式

地源热泵

其他空调

空调系统采用水制冷,室温波动小,只在2℃左 采用直接蒸发式制冷,室温波动较大 右,舒适性好。 ,舒适性差。 地下埋管无需维护,费用低 水冷,运行时不受外界环境影响,平均能效比 4~5。 维修费用高 风冷,运行时受外界环境影响,能效 比在2.3至2.8之间 有室外机,影响建筑物美观,运行噪 音大。 受环境影响很大,夏季高温或冬季低 温时,机组能效比只有1:1.甚至无法 开机,需除霜。

建筑外环境 没有室外机组,美观,运行噪音小。 受环境影响 冷热源温度稳定,系统运行稳定,不受环境影 响

环保 使用寿命 节能效果

地源热泵系统运行无燃烧,无排烟,产生的污 染物排放量,比空气源热泵的排放量减少40%以 有热污染,CO2排放多 上,比电供暖的减少 70%以上。 主机寿命在15年以上,埋管寿命在50年以上 克服空气源热泵负荷需求越高,效率越低的技 术障碍,可显著提高效率,节能高达30%以上 主机寿命国家标准及厂家承诺只在8年 耗能较高

三、地源热泵简介
(四)地源热泵系统由哪些部分组成
地源热泵系统一般由三个必需的环路组成

3)室内环路: 空调末端

2)制冷剂环路: 水源热泵机组

1)室外环路: 室外换热器

三、地源热泵简介
(五)地埋管换热器有哪些形式
地源热泵地埋管换热器主要有两种布置型式,即水平埋
管和垂直埋管。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类 型以及挖掘成本,如果场地足够大且无坚硬岩石,则水平式

较经济;如果场地面积有限时则采用垂直式布置,很多场合
下这是唯一的选择。

三、地源热泵简介

三、地源热泵简介
(六)单U管与双U管各有什么特点
根据埋管形式的不同,一般有单 U 形管,双 U 形管,
套管式管等形式;由于双U型管在钻孔内具有较高的换热面 积,其换热效率要优于单U型管的换热效率。通常双U形埋

管比单U形埋管仅可提高15%~20%的换热能力。

三、地源热泵简介

源热泵钻孔施工现场

钻孔

三、地源热泵简介
(七)地下水对地埋管换热的影响
地下水的渗流或流动可加速大地热传导换热,大大增强 地热换热器的热交换能力。尤其是当地热换热器冷热负荷不 平衡时,地下水的渗流或流动将有效地减弱这一现象。如地 下水流动活跃,可把不平衡负荷导致的多余的热量带走,可 大幅降低不平衡负荷的影响,减少地热换热器的设计容量。
研究结果表明,在地下水渗流速度为?30m/year左右时, 热交换能力比无渗流时增大了约30%。 在北部严寒地区及南部夏热冬暖地区,因系统总的吸释 热量不平衡,采用土壤源地源热泵,不能满足其使用寿命, 如地下水丰富,可采用水源热泵系统。

三、地源热泵简介
(八)岩土热物性对地下传热的影响
岩土的导热系数表示通过大地的热传导能力。热扩散率 是衡量大地传递和存储热量能力的尺度。岩土的含湿量对于 这两个热物性参数有很大的影响。
热物性及其值岩土层类型 致密粘土(含水量15%) 致密粘土(含水量5%) 轻质粘土(含水量15%) 轻质粘土(含水量5%) 致密沙土(含水量15%) 致密沙土(含水量5%) 轻质沙土(含水量15%) 轻质沙土(含水量5%) 花岗岩 石灰石 沙岩 湿页岩 干页岩 导热系数ksW/(m·K) 1.4~1.9 1.0~1.4 0.7~1.0 0.5~0.9 2.8~3.8 2.1~2.3 1.0~2.1 0.9~1.9 2.3~3.7 2.4~3.8 2.1~3.5 1.4~2.4 1.0~2.1 扩散率a 10
-6

m /s

2

土壤

岩石

0.49~0.71 0.54~0.71 0.54~0.64 0.65 0.97~1.27 1.10~1.62 0.54~1.08 0.64~1.39 0.97~1.51 0.97~1.51 0.75~1.27 0.75~0.97 0.64~0.86

密度ρ? kg/m3 1925 1925 1285 1285 1925 1925 1285 1285 2650 2400~2800 2570~2730 - -

三、地源热泵简介
(九)地质条件及钻孔深度对地埋管总容量的影响
单个钻孔的深度越深,所需的钻孔个数越小,即地埋管
所占的地表面积越小。对于钻孔难度小,施工费用低的土壤 层,采用较深的钻孔,可以显著降低系统的初投资并减少占

用的地表面积。
钻孔费用不仅与钻孔深度有关,取决于当地的地质条件。 通常岩石的钻孔费用为土壤钻孔费用的2~4倍,甚至达到10 倍,因此应综合考虑当地的地质条件以及钻孔难易程度与施 工费用等多种因素确定单个钻孔的深度。

三、地源热泵简介
换热器钻孔深度应根据站址所在地区情况,通过热物性

勘探,确定土壤热物性指标,并根据换热布置面积及换热计
算的结果,合理选择钻孔个数及钻孔深度。 考虑到当钻孔深度超过150m后,钻孔施工难度加大,

换热器管材承压较大,施工费用及材料费用增加迅速,故此
建议单个钻孔深度不易超过120m。

三、地源热泵简介
(十)地埋管钻孔间距对地源热泵换热影响
地埋管换热器其换热性能的好坏除与土壤的传热指标密 切相关外,还与地埋管的钻孔布置方式,地埋管钻孔间距密 切相关。
当钻孔间距小于4m时,由于钻孔间距太近,受相邻钻孔 的影响,钻孔的热交换效率急剧下降;当钻孔间距为4~6m 时,相邻钻孔之间的换热影响较小,钻孔占地面积合理; 当钻孔间距大于6m,其换热性能达到极限,占地面积迅 速增加; 因此工程设计中应选择合理的钻孔间距,即满足了地面 管的换热要求,又能节省占地面积。

三、地源热泵简介
(十一)地埋管钻孔布置方式对地源热泵换热的影响
地源热泵系统地埋管常用的布置方式有密集型矩形布置、 沿建筑物周边U型布置、L型布置,一字型等布置方式。 当钻孔间距小于6m采用多排密集布置时,其中间部分地 埋管,由于与土壤交换的冷、热量难以在短时间内迅速消散, 造成中间部分地面管热交换效率下降,而边缘部分地埋管不 受影响; 当地埋管采用一字型布置时,由于钻孔两侧换热介质不 受其他钻孔的影响,换热效率明显高于密集布置。 变电站地埋管钻孔易结合变电站的特点,充分利用有效 地空间,沿建筑物或道路一字型布置,提高地埋管换热器性 能。

三、地源热泵简介
(十二)什么是回填料
回填材料是将地层中的热量传递给U形管以及管中的循 环介质,或者将U形管和循环介质中的热量传递给地层的重 要环节。它是一个热传递介质,首先要求其具有良好的传热 性能;其次,回填材料还要具有良好的工作性,以及一定的 强度、抗渗性和膨胀性等。
回填材料的作用有两方面:一方面使埋管与钻孔壁之间 尽可能填实,改善换热器与土壤的换热;另一方面是防止地 表水通过钻孔向地下渗透而污染地下水,同时也防止各个含 水层之间的交叉污染。地源热泵系统运行效果很大程度上取 决于回填材料的性能 。

三、地源热泵简介
(十三)什么是系统吸、释热平衡
对于一个地源热泵系统,如果在一年中冬季从地下抽取 的热量与夏季向地下注入的热量平衡,则地热换热器在数年 的长时间运行后,地下的年平均温度没有变化,对地热换热 器的性能没有影响。如冷热负荷不平衡,则造成多余的热量 (或冷量)在地下积累,引起地下年平均温度的变化,严重 时导致系统崩溃。因此应根据全年累计冷热负荷基本平衡原 则进行地源热泵设计。

最大吸热量=Σ[空调分区热负荷×(1-1/COP)] +Σ输送过程 失热量-Σ水泵释热量 最大释热量=Σ[空调分区冷负荷×(1+1/EER)] +Σ输送过程 得热量+Σ水泵释热量

三、地源热泵简介
(十四)如何进行地源热泵计算
地源热泵系统的负荷计算应包括:建筑物设计负荷、地 源热泵系统的最大释热量和最大吸热量、全年累计释热量和 吸热量、泵房水力计算等。 全年的累计释热量与吸热量宜相平衡,否则可能造成地 下土壤温度逐年上升或下降,影响后继使用效果,降低使用 寿命。在软件模拟阶段,应分析在20年全寿命周期内土壤变 化情况,使其供回水温度控制在规范要求的范围内。
一般情况下,当累计释热量与吸热量相差较小时,可通 过增加钻孔数量进行平衡;当累计释热量与吸热量相差较大 时,应增设辅助措施(冷却塔或辅助热源)。

三、地源热泵简介
(十五)地源热泵的辅助冷热源有哪些
对于冷负荷占优的地区,因地制宜的引入各种辅助冷源
来承担多余的建筑物冷负荷,反之对于热负荷占优地区,宜 引入各种辅助热源,使地热换热器冷热负荷均衡,进而提高

系统的运行效率。
可以利用的辅助冷却源有:冷却塔散热系统、地表水、 空气源、以及其他各种形式可利用的废水源;通常可以采用 如下几种方案:

三、地源热泵简介
1.地源热泵系统承担部分或全部的建筑生活用热水的热
负荷; 2.增设冷却塔,让冷却塔承担部分夏季冷负荷,使地下

冷热负荷均衡。
3.增设辅助热源,例如太阳能集热器或电辅助,承担建 筑物多余的热负荷。

四、地源热泵适用条件

四、地源热泵适用条件
地源热泵系统具有良好的节能环保性能,其应用的成功
与否直接与技术经济条件、地质条件、气候条件、建筑物负 荷条件密切相关,上述四个条件,任何一项出现问题,都将

导致地源热泵系统不能实现预期的节能环保效果和社会经济
效益,因此通过科学的分析研究,提出地源热泵的适用条件, 为地源热泵的进一步推广应用奠定良好的基础。

四、地源热泵适用条件
(一)技术经济条件
1.地源热泵初投资不宜超过1100元/m2,不应超过1400 元/m2。 2.20年寿命周期内,基准收益率不应低于8.5%(平均收 益率)。 3.地源热泵投资回收期不宜超过8年,不应大于10年。 4.地源热泵机组修正后能效比不应低于4.5,且系统能效 比不宜低于3.4。 5.地源热泵系统设计应考虑冷热平衡对系统的长期影响。 系统对土壤的吸、释热量不平衡将严重影响使用年限内的安 全运行。

四、地源热泵适用条件
(二)气候条件
根据各地的气候条件不同,地源热泵的应用表现出较强
的地域特性。气候条件是制约地源热泵应用的重要环境因素, 其直接关系到地源热泵推广的成败。

按《公共建筑节能标准》GB50189-2005,建筑气候分
区分为:严寒地区A区、严寒地区B区、寒冷地区、夏热冬 冷地区、夏热冬暖地区。

四、地源热泵适用条件
1. 我国建筑热工分区及代表城市

四、地源热泵适用条件
各地区分区指标及代表城市
分区指标 分区 名称 主要指标 最冷月平均 温度≤-10℃ 辅助指标 日平均温度 ≤5℃的天数 的≥145d 代表性城市 1黑龙江(哈尔滨、齐齐哈尔、牡丹江、佳木斯、 伊春、海伦、呼玛、富锦、安达) 2内蒙古(满洲里、海拉尔、博克图) 3新疆(克拉玛依) 1内蒙古(呼和浩特、通辽) 2辽宁(沈阳、丹东、抚顺、阜新、本溪、鞍山) 3吉林(长春、延吉、四平、通化) 4新疆(乌鲁木齐、哈密、吐鲁番、伊宁) 5河北(张家口) 6山西(大同) 7甘肃(酒泉) 8宁夏(银川) 9青海(西宁、大柴旦)

严寒A区

严寒B区

最冷月平均 温度≤-10℃

日平均温度 ≤5℃的天数 的≥145d

四、地源热泵适用条件
各地区分区指标及代表城市
分区指标 分区名称 主要指标 辅助指标 代表性城市 1河北(石家庄、唐山) 2山西(太原、阳泉、晋城、) 3甘肃(兰州、天水、平凉) 4河南(郑州、安阳、洛阳) 5山东(济南、青岛、德州、) 6北京、天津 7辽宁(大连) 8江苏(徐州) 9陕西(西安、宝鸡) 10四川(康定、阿坝) 11新疆(喀什) 12西藏(拉萨)

寒冷地区

最冷月平均温 度 -10~0℃

日平均温度 ≤5℃的天数的 90~145d

四、地源热泵适用条件
各地区分区指标及代表城市
分区指标 分区名称 主要指标 辅助指标

代表性城市
1江苏(南京、盐城、南通) 2浙江(杭州、宁波) 3湖南(长沙、岳阳、株洲、永州) 4湖北(武汉、黄石、宜昌) 5安徽(合肥、安庆、蚌埠) 6四川(成都、绵阳、宜宾、达县、万 州、涪陵、南充) 7贵州(贵阳、遵义、凯里) 8陕西(汉中、安康) 9江西(南昌、九江、赣州) 9上海、重庆 10广西(桂林) 11陕西(汉中) 12广东(韶关)

夏热冬冷 地区

最冷月平均温 度 0~10℃ 最热月平均温 度25~30℃

日平均温度≤5℃ 的天数的0~90d, 日平均温度 ≥25℃的天数的 40~110d

四、地源热泵适用条件
各地区分区指标及代表城市
分区指标

分区名称

代表性城市
主要指标 辅助指标 1福建(福州、莆田、厦门、泉州、 龙岩) 2广东(广州、深圳、湛江、汕头、 梅州) 3广西(南宁、柳州、北海、梧州、 兴宁、河池、贺州) 4海南(海口)

最冷月平均温 度 夏热冬暖地区 >10℃ 最热月平均温 度25~29℃

日平均温度 ≥25℃的天数 的100~200d

四、地源热泵适用条件
2. 气候条件

(1)严寒A区不适宜单纯的土壤源地源热泵系统,如地下
水丰富,经技术经济分析后,确定地源、水源热泵系统的可 行性;

(2)严寒B区适宜采用地埋管地源热泵系统;
(3)寒冷地区适宜采用地埋管地源热泵系统; (4)夏热冬冷地区不适宜单独采用地埋管地源热泵系统;

地下水丰富的地区,可通过实际热响应试验获得换热指标,
确定地源热泵的可行性,优先采用水源热泵系统; (5)夏热冬暖地区不适宜采用地埋管地源热泵系统。

四、地源热泵适用条件
(三)建筑物负荷条件
建筑负荷指标等于建筑物冷、热负荷除以建筑面积,如
某建筑建筑面积为333m2,冷负荷指标为150W/m2,其所对 应的冷负荷为50kW。当冷负荷<50kW时,折算后建筑面积

约为333m2,规模很小,用3~4台分体空调即可满足要求,
节能效果不大,对于较小的负荷面积,因其节能效果不明显, 不推荐采用地源热泵系统。

四、地源热泵适用条件
(四)地质条件
1.对地质硬度大的地质条件及钻孔难度大的地区不适合 推广地源热泵技术。 2.对于细砂流砂型水文地质构造地区,不适合应用地源 热泵系统。 3.地下水的渗流或流动有利于地热换热器的传热,因此 能够减少地热换热器的设计容量。 4.不同地质条件的导热系数,对系统的换热性能影响较 大;钻孔个数、钻孔间距、钻孔深度、埋管长度、布置方式 等直接影响着系统的换热性能,地埋管设计时,应综合考虑 上述因素的影响,确定最优设计方案。

四、地源热泵适用条件
(五)地源热泵适用条件一览表
地源热泵系统适用条件

适用条件

控制参数
1.系统投资特性

地源热泵系统适用条件
系统初投资不宜超过1100元/m2,不应超过1400元/m2 机组修正后能效比不应低于4.5,且系统能效比不宜低于3.4 投资回收期不宜超过8年,不应超过10年 全年累计吸热量与释热量宜平衡,若不平衡应验证20年内系 统安全性 不适宜 适宜

技术经济条件 (注1)

2.系统节能特性 3.投资回收期 4.累计吸释热量(kWh) 严寒A区 严寒B区

气候条件(注 2~4)

寒冷地区
夏热冬冷地区 夏热冬暖地区

适宜
适宜 不适宜

四、地源热泵适用条件
建筑负荷 空调负荷<50kW,(负荷指标取150W/m2,建筑面积为。) 条件 (注5) 空调负荷≥50kW,(负荷指标取150W/m2,建筑面积为。) 1.地质硬度大 地质条件 2.细砂流砂 3.当地下水丰富时,换热指标好,非常利于释热量传递 不适宜 适宜 不适宜 不适宜 通过技术经济比较确定

说明

注1、技术经济条件从初投资、系统节能效果、投资回收期、吸释热量平衡方面对地源热泵的合理应用进行了 规定。 1)地源热泵的初投资不宜超过1100元/m2,当超过1400元/m2时,投资回收期将超过8年,对于换流站,初 投资不含辅助冷热源系统。 2)地源热泵的机组应与当地条件相适应,并应对机组性能进行修正,修正后的机组能效比不应低于4.5, 且应保证全年运行期内的系统能效比(考虑机组、水泵、末端等相关用电设备后的能效比)不低于3.4。 若不满足此条,则很难保证系统的节能效果。 3)对于单季使用应计算其投资回收期不宜超过8年,不应超过10年。 4)全年周期内累计吸热量与释热量相平衡是保证系统可靠、高效运行的有利措施,若吸、释热量不平衡, 则应采取措施保证全寿命周期内的安全运行。 注2、严寒A区冷热负荷相差较大,吸、释热量难以平衡,故一般不推荐使用地源热泵。当采取辅助热源、多钻 孔或地下水丰富时,不排除地源热泵的适用性,但应经过技术、经济分析。 注3、夏热冬冷地区:该地区释热量远大于吸热量,若水资源贫瘠且无采取可靠措施,一般不宜采用地源热泵。 但当水资源丰富时,对于吸、释热量较为有利,可取得换热指标,论证其可行性。该区亦可采用水源热 泵或增设冷却塔等辅助冷源措施。 注4、夏热冬暖地区:该地区基本只有制冷,单季运行,节能效果差,不宜采用地源热泵;但水资源丰富地区 可采用水源热泵。 注5、建筑负荷<50kW时,若负荷指标取150W/m2,建筑面积仅为,空调规模很小,用3~4台分体空调即可满足要 求,且此时节能效果不大,一般不推荐采用地源热泵。

五、地源热泵全寿命周期分析

五、地源热泵全寿命周期分析
(一)地源热泵成本分析
地源热泵投资主要由机组、室外地埋管、空调末端和施 工费用四部分组成。 1.机组费用分析 机组费用主要设备价格组成,一般占初投资的35%左右, 费用相对稳定,从技术发展来看,随着地源热泵市场份额的 迅速增加,机组费用有降低趋势。 2.地埋管管道费用分析 室外地埋管主要费用为埋管管材费用,地埋管一般采用 高密度聚乙烯管(HDPE)或聚丁烯管(PB)管材,其价格 较低,一般地埋管费用占初投资的17%左右 。

五、地源热泵全寿命周期分析
3.末端费用分析

末端系统是指进入房间内的风机盘管及相应配套的连接
管件,因设备简单,没有压缩机,因此设备价格低廉,其费 用占初投资的13%左右。

4.施工费用分析
施工费用指地源热泵系统全部施工及安装项目所产生的 费用,室外地埋管钻孔费用占主导地位。由于全国各地地质

情况有很大不同,钻孔难度不一,故钻孔费用相差较大。总
的来说施工费用约占地源热泵总投资的35%左右。

五、地源热泵全寿命周期分析
所占比例 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 机组 地埋管材 末端 施工费用 17% 13% 35% 35%

地源热泵各阶段成本所占比重

五、地源热泵全寿命周期分析
(二)地源热泵初投资分析
变电站空调负荷指标普遍较民用建筑大,一般为普通民
用建筑空调指标的2倍左右,根据研究成果可知,当空调指 标为200W/m2时,变电工程的地源热泵空调造价约为4~5元

/W,则折合每平米造价为800元~1400元。变电工程的分体
空调造价约为1.25~1.75元/W,则折合每平米造价250元 ~350元,地源热泵初投资高于分体空调。

五、地源热泵全寿命周期分析
初投资万元 700 600 500 400 300 200 100 0 220 330 500 电压等级 750 1000 ±500 48 55.3 90 128.3 363 577.5

不同电压等级变电工程的初投资

五、地源热泵全寿命周期分析
三种空调的初投资
空调+电暖气 地源热泵 电压 空调面积 序号 等级 单位造价 初投资 单位造价 初投资 (m2) (kV) 2) (万元) (元/m2) (万元) (元/ m 1 2 3 4 5 6 7 ±500 1000 750 500 330 220 110 5500 3300 1350 1000 650 600 200 350 350 320 280 270 260 260 192.5 115.5 43.2 28.0 17.6 15.6 5.2 1050 1100 950 900 850 800 800 577.5 363.0 128.3 90.0 55.3 48.0 16.0 电锅炉+空调 单位造价 (元/ m2) 630 630 576 504 488 468 468 初投资 (万元) 346.5 207.9 77.76 50.4 31.68 28.08 9.36

五、地源热泵全寿命周期分析
三种空调的初投资

五、地源热泵全寿命周期分析
在地源热泵的成本中,机组和施工所占比例最大,其总

和占总成本的70%以上。
机组成本主要由设备费控制,其成本降低的可能性较小, 但施工费用中钻孔费用占比很大,若想控制地源热泵的造价,

应首先从地埋管钻孔施工方面入手,一方面按照国家标准,
对变电站建筑采取节能保温措施,从根源上降低空调负荷指 标,另一方面采用调整钻孔深度、钻孔数量等措施,可有效

减少钻孔规模,降低造价。

五、地源热泵全寿命周期分析
(三)年运行费用分析
地源热泵的年费用由维护费和运行费构成,根据对以运
行变电站及民用建筑地源热泵运行情况调查,地源热泵系统 年维修费用极低,一般不超过初投资的1~2%,而分体空调

维护费用高达初投资额10%。
从运行费用分析,主要体现为用电消耗量,地源热泵利 用地下表层能源进行换热,其能效比较高,通过对已运行变 电站调查,地源热泵空调的电能耗远小于分体空调的电能耗, 这也是地源热泵节能先进性的具体体现。

五、地源热泵全寿命周期分析
三种空调的年运行维护费用(万元)
空调 面积 (m2) 5500 3300 空调+电暖气 地源热泵 电锅炉+空调 电费 (万元/年) 148 88.78 年维护费 (万元/年) 23.16 25.52

序 号 1 2

电压等级 (kV) ±500 1000

电费 维护费 电费 年维护费 (万元/年) (万元/年) (万元/年) (万元/年) 133.9 80.3 19.3 11.6 88.0 52.8 11.6 7.3

3
4 5 6 7

750
500 330 220 110

1350
1000 650 600 200

32.9
24.3 15.8 14.6 4.9

4.3
2.8 1.8 1.6 0.5

21.6
16.0 10.4 9.6 3.2

2.6
1.8 1.1 1.0 0.3

36.34
26.89 17.48 16.14 5.4

13.76
11.76 9.36 9.92 3.6

五、地源热泵全寿命周期分析

不同电压等级变电工程地源热泵年运行费用

五、地源热泵全寿命周期分析
(四)初投资与投资回收期关系
分析研究表明,变电工程的地源热泵空调造价约为4~5
元/W,空调指标为150~250W/m2,则折合每平米造价为800 元~1100元,投资回收期为6~8年。从地源热泵实际现状来

说,初投资一般不会超过1400元/m2,此时对应的投资回收
期为8年左右。下图为不同初投资时的投资回收期关系:

五、地源热泵全寿命周期分析
9 8 7 6.9 5.3 5.6 5.9 6.3 7.9

投资回收期(年)

6 5 4 3 2 1 0 800 900 5

1000

1100

1200

1300

1400

初投资(元/m2)

初投资与投资回收期的关系曲线

五、地源热泵全寿命周期分析
(五)初投资、设备总投资、维护运行费用所占比重
借助于全寿命周期分析手段,地源热泵系统20年全寿命
周期分析研究结果表明,地源热泵的初投资占全寿命周期成 本费用的27%,其20年总设备投资占全寿命周期成本费用的

30%,运行维护费用占总成本的70%。可见,运行维护费用
是全寿命周期成本的主要组成部分,从运行方面减少发生费 用显得更为重要。

五、地源热泵全寿命周期分析
(六)全寿命周期成本分析
目前变电站常用的采暖及空调方式主要有空调+电暖器
方式、空调+电锅炉方式、纯空调方式、地源热泵方式,其 中纯空调方式主要用于夏热冬暖地区,不具可比性,结合变

电工程就地源热泵空调与其他方式空调的全寿命分析,根据
国内变电站空调+电暖器运行、电锅炉+电暖器及地源热泵运 行情况调查结果,20年全寿命周期内运行边界条件如下:

五、地源热泵全寿命周期分析
三种空调全寿命周期成本计算
序 号 1 电压等级 (kV) ±500 空调 类别 初投资 (万元) 设备总投资 (万元) 年运行费用 (万元/年) 全寿命周期成本 LCC(万元)

分体空调
电锅炉 地源热泵 分体空调 2 1000 电锅炉 地源热泵 分体空调 3 750 电锅炉 地源热泵 分体空调 4 500 电锅炉 地源热泵

192.5
346.5 577.5 115.5 207.9 363.0 43.2 77.76 128.3 28.0 50.4 90.0

687.4
464.38 774.0 412.4 278.63 486.5 154.3 104.21 171.9 100.0 67.55 120.6

153.2
171.16 99.6 91.9 114.3 60.1 37.2 50.1 24.2 27.1 38.65 17.8

3336.2
3423.76 2496.1 2001.4 2254.89 1525.6 797.5 970.45 590.4 568.5 735.81 428.4

五、地源热泵全寿命周期分析
三种空调全寿命周期成本计算
序 号 电压等级 (kV) 空调 类别 分体空调 5 330 电锅炉 地源热泵 初投资 (万元) 17.6 31.68 55.3 设备总投资 (万元) 62.8 42.46 74.1 年运行费用 (万元/年) 17.6 26.84 11.5 全寿命周期成本 LCC(万元) 367.2 506.53 273.0

分体空调
6 220 电锅炉 地源热泵 分体空调 7 110 电锅炉 地源热泵

15.6
28.08· 48.0 5.2 9.36 16.0

55.7
26.91 64.3 18.6 12.54 21.4

16.2
26.06 10.6 5.4 9 3.5

335.8
477.49 247.6 111.9 168.16 82.0

五、地源热泵全寿命周期分析
方案技术经济分析比较 初投 资比 设备 总投 资比 运行维护费 全寿命周期 用比值 成本比值

方案

地源热泵
空调+电暖器 空调+电锅炉

3.2
1 1.8

2.2
1.8 1.0

1
1.5 2.2

1
1.33 1.72

五、地源热泵全寿命周期分析
(七)节能减排
通过对不同
电压等级变电工 程的分析结果表
25000 20000 15000 12246 110 220 330 500 750 1000 ±500 21626

明,地源热泵环
保效益随着电压 等级的提高而提 高,更适合于特 高压、换流站等 超大型变电工程。

10000
5000 772 0 二氧化碳排放(t) 5330 3608 2270 2425

不同电压等级减少的碳排放量

六、推广建议

六、推广建议
推广建议:
地源热泵系统具有良好的节能环保性能,其经济性及节 能性直接与技术经济条件、地质条件、气候条件、建筑物负 荷条件密切相关,只有同时满足上述四个条件,才能确保地 源热泵系统高效运行,充分发挥其节能环保效果和社会经济 效益。
地源热泵系统更适合大中型变电工程,如特高压交流工 程、直流等工程,节能效果更为显著。 对于首次采用地源热泵技术的地区,建议进行全寿命成 本分析。

七、工程实例

七、工程实例
(一)工程概况
顺德(邢台南)500kV变电站位于华北平原,河北省邢台
地区,南和县贾宋乡唐庄村北,全站采暖建筑物有主控通信 楼、1#500kV保护小室、2#500kV保护小室,全站总空调面

积为1000 m2。
本工程地质条件为轻质粘土、致密粘土,导热系数为 0.9~1.9 W/(m· K)之间,土壤的导热系数较好。 本工程所属地区为寒冷地区。

七、工程实例
(二)适用条件分析
1.技术经济条件
系统投资 顺德变电站总投资为105万元,单位造价1050元/ m2,

符合“系统初投资不宜超过1100元/ m2,不应超过1400元/
m2”的规定。 系统节能特性 本项目热泵机组能效比为5.0,系统能效比为3.5。符合 “机组修正后能效比不应低于4.5,且系统能效比不宜低于 3.4”的规定。

七、工程实例
投资回收期

该项目的投资回收期为6年,满足“地源热泵投资回收
期不宜超过8年,不应超过10年”条件。 冷热平衡条件

顺德工程地处华北寒冷地区,最适合地埋管地源热泵技
术应用,模拟计算表明,在20年全寿命周期内,地源热泵系 统的吸热量与释热量相平衡,可确保系统安全可靠运行。

七、工程实例
2.地质条件

本工程地质条件良好,土壤温度恒定,土壤传热比大,
换热效率高,且无坚硬岩石及流砂情况,符合地源热泵地质 条件要求,适宜应用地源热泵。

3.负荷条件
本工程空调负荷约为150kW~200kW,大于50kW的下限, 适宜应用地源热泵。

4.气候条件
顺德变电站位于华北地区中部,根据热工设计分区为寒 冷地区,符合地源热泵气候条件要求,适宜应用地源热泵。

七、工程实例
(三)地源热泵设计
1.地源热泵机房设计
地源热泵机组 制冷工况:制冷量100kW,冷冻水供回水温度7/12℃, 流量17.2m3/h; 制热工况:制热量115kW,热水供回水温度45/40℃, 流量19.8m? /h 进行主机、管沟、控制阀、平衡阀布置,共用一套补水 系统,节省占地面积,减少造价。通过机房优化设计,顺德 变电站机房尺寸8.1m×4.8m,建筑面积为38.88m2。

七、工程实例

机房平面布置图

七、工程实例
2.地埋管设计 根据地埋管换热器计算结果及总平面布置,地埋管采用 同程管路布置方式,采用双U管,钻孔40个,直径Φ180mm, 深度100m,回填料为10%膨润土+90%细砂混合浆。

地埋管布置图

七、工程实例
3.空调末端设计

根据建筑物特点,室内末端采用落地式明装风机盘管和
立柱式风机盘管,将供回水管道置于室外埋地,可避免水系 统事故时危及电气设备,系统安全可靠。

七、工程实例

顺德(邢台南)主控楼一层风机盘管布置图

七、工程实例

顺德(邢台南)主控楼二层风机盘管布置图

七、工程实例
4.经济环保效益

(1)全寿命周期成本分析 。
变电站空调全寿命周期成本计算
空调 面积 空调 类别 分体 空调 地源 热泵 固定投资 (万元) 107.13 115.9 维护费用 电费 (万元/年) (万元/年) 2.68 1.16 26.66 15.04 年运行费 用 (万元/年) 29.34 17.610 全寿命周期 节省折现 成本 值 LCC(万元) (万元/%) 614.42 410.72 194 节省32%

1000

七、工程实例
(2)经济指标比较。

固定资产投资
地源热泵的初次投资较高,约为分体空调的3倍,但全 寿命周期内地源热泵固定资产投资比分体空调仅高出19%。

年运行费用
由于地源热泵的能效比很高,年运行维护费用比分体空 调节省42%。

七、工程实例
20年全寿命周期成本

地源热泵的全寿命周期成本比分体空调节省32%,其节
省现值随着建筑面积的增加而增加,该项目可节省194万元, 为初投资的2.2倍。

投资回收期
该项目第5年末地源热泵系统与分体空调总费用将持平, 分别为170.62万元和171.18万元。但第6年开始,分体空调 开始第2次固定资产投资,其总费用将大幅增加。

七、工程实例
(3)环保效益

顺德500kV变电站地源热泵空调系统的实施,成功将地
源热泵技术引入电力系统,实现了可再生能源的循环利用, 按节约燃煤计算,该项目实施后,每年可实现节约用电量

167571度/年;减少二氧化碳排放量为206吨;减少二氧化硫
480kg;减少烟尘排放量9072kg;减少氮氧化物排放量 1541kg;减少烟气量为1.71×106标准立方米,环保效益显

著。

七、工程实例
(4)投运工程反馈情况

通过对已投运变电站回访证明,地源热泵系统所具有高
效、经济、环保、节能等诸多优点,深受运行人员的好评, 其优点主要体现如下:

a)制冷、制热性能强,空调效率高
地源热泵系统运行稳定,机组运行效率高,提供的冷热 源质量(包括恒温、恒湿、舒适度等各方面)远高于普通分 体空调,为电气设备的正常运行和运行人员日常生活提供了 舒适的环境。

七、工程实例
b)运行简单,检修维护工作量小 检修维护工作不受气候的影响,检修维护工作量远小于 分体空调,接近于免维护状况,更适合无人值班变电站。 c)运行成本低,经济效益显著 顺德变电站年运行成本为15.04万元,较分体空调26.66 万元节省11.73万元,折算节约用电量167571度,经济效益 显著。 d)环保节能效益显著 顺德变电站地源热泵项目实施后,每年可减少二氧化碳 排放量为206吨;减少二氧化硫480kg;减少烟尘排放量 9072kg;减少氮氧化物排放量1541kg;环保节能效益显著。

七、工程实例
5. 工程图片展示

顺德地源热泵机组

七、工程实例

顺德地源热泵控制流程图

七、工程实例

顺德地源热泵落地式风机盘管

七、工程实例

顺德地源热泵立柱式风机盘管

七、工程实例

大名地源热泵吊顶式风机盘管

七、工程实例

大名地源热泵温控器

欢迎领导和专家批评指正

谢谢!
主 邮 电 单 讲:冯舜凯 箱:fskfsk@sian.com.cn 话:0311-87912501; 位:河北省电力勘测设计研究院


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