地源热泵技术在国家宗教局培训中心的应用

地源热泵技术在国家宗教局培训中心的应用
北京三合绿色环保设备有限公司 滑奇 陆克
摘要：国家宗教局培训中心热泵工程是引进北欧先进技术和设备，是地源热泵技术在国内首次大面积应用于岩石区，该系统是将地下岩石层中的低位能源通过地下耦合换热器及热泵机组转换成高位能源进行供暖、制冷、供应生活热水。
关键词：地源热泵 岩石层 经济性
Application of Geothermal heat pump technology to Religious Bureau Training Center
By Huaqi and luk
Abstract: The geothermal heat pump project of Religious Bureau Training Center, introduced the Northern Europe advanced technology and equipment .Adopting rock as heat source and heat sink through heat exchanger buried under ground. And then transfer the low temperature energy of underground to high temperature energy through heat pump system for heating ,air conditioning and hot water supply.
Key word: geothermal heat pump rock layer economical efficiency

一、 项目概况：
国家宗教事务局培训中心（养怡山庄），位于北京市昌平区长陵镇半截沟,属十三陵旅游风景区的西北部顶端,与延庆县交界。此地山明水秀、环境优美，是一个适合培训、学习、休闲度假的地方。
培训中心原建筑面积13000㎡（现实际建筑积为17560㎡），存在冬季供热、夏季制冷和全年提供生活热水的能源需求。
二、 系统原理及设计
冬季，地下温度约12－15℃，经过地下换热器换热后供出温度约为7－10℃，系统提取岩石层的热量作为热泵机组的低温热源，进入热泵机组蒸发器，热泵冷凝器出水作为供暖系统循环水，供回水温度为45－40℃。夏季，经过地下换热器换热后的供出温度为19-23℃，地下换热器带走系统中的热量作为热泵机组制冷时的冷却水，热泵蒸发器出水作为供冷系统循环水，供回水温度为7-12℃。该热泵具有热回收功能，在冬夏季工况运行的同时确保了生活热水的供应。
系统设计：
１、 采暖空调设计参数：
冬季室外空调计算温度－12℃
冬季室内设计温度16-22℃
夏季室外空调计算温度：33.2℃；湿球温度：27.3℃
夏季室内空调设计温度22-26℃
２、 负荷计算：
估算培训中心供暖热指标为60w/㎡
总设计供热制冷面积为16000 ㎡
则总设计供暖热负荷为：960kw,
总冷负荷以70％建筑需制冷为80w/ ㎡计算
16000×0.7×80w=896kw　
３、 所需冷热源情况：
冬季水量要求：150.7t／h, 温差为5℃．
夏季水量要求：199.6t/h，温差为5℃．
根据冷热负荷计算需钻深150m的能量采集井100口
采用单U型地下耦合换热器，地源侧单口井换热量10KW
４、 机房配置
机房实用面积170㎡，选用福莱克斯活塞式六机头热回收机组一台，机组制冷输入功率218KW，输出功率939KW.制热输入功率251KW,输出功率1148KW.夏季热回收产生活热水10.6m3/h。

冬夏季流程图：

















三、项目重点及难点

国家宗教局培训中心位于半山腰上，其地质情况较为复杂，通过组织专业技术人员对该地区的地层进行分析定性，地面以下7-12米为回填土层。12-25米是极为松散破碎的片麻岩风化层， 25-80米是灰质岩、裂隙、角闪岩和花岗岩间隔地层，80-150m是角闪岩、花岗岩和裂隙间隔地层。
１、 钻井工程难度大，钻井机具要求高（选用英格索兰TH-10钻机一台）。
２、 能量采集的关键部位（换热器底部）是三合公司组织专业技术人员和挪威热泵专家共同设计定型的新产品。
３、 开工之前进行了地下的换热性能分析和打孔试验，证明地下水流动情况良好，根据实测结果确定了地下换热器系统形式、孔深、孔径、换热管材质、孔间距、回填材料。经运行证实，换热性能良好。
４、 该项目冬夏负荷匹配良好，因此不需要额外的冷源和热源。经连续两年的运行，未出现地下温度升高或降低的现象。
５、 地下换热器系统分为15个子系统，采用分、集水器连接，当负荷较小时，可关闭部分分集水器。子系统内采用同程连接方式，子系统间也是同程连接，确保系统水力平衡。

三、 实测数据分析
该热泵系统从2004年11月15日投入正常运行后，经历了北京近年来最寒冷的冬天，充分考验了垂直地埋管热泵机组的性能。机组冻夏季运转状况良好。
为了更准确的分析垂直地埋管热泵的经济性，我们安排专职人员在设备运转现场连续记录了两个供热季节，每隔两个小时记录一次数据，包括电表数、温度、压力等。
根据整理记录数据，统计了2005年12月22到2005年12月31日，连续10天的数据，可得以下数据：
地源温度：12-15℃
蒸发器进口温度：6℃
蒸发器出口温度：4.5℃
冷凝器进口温度：35℃
冷凝器出口温度：40℃
2005年12月22电表显示数字为：3798
2005年12月31电表显示数字为：4065
注：交流互感器为1：160
总用电量为：（4065-3798）×160=42720KW
10天系统平均的COP值为:16000*60W×0.7/178=3.8
按电价为0.5元/ kwh计算，费用为42720*0.5=21360元
每天的平均供暖费用为2136元/天。


根据整理记录数据，统计了2006年7月25到2004年8月10日，连续17天的数据，可得以下数据：
地源温度：12-15℃
蒸发器进口温度： 11℃
蒸发器出口温度： 9℃
冷凝器进口温度： 19℃
冷凝器出口温度： 23℃
生活热水温度：50-55℃
2006年7月25日电表显示数字为：6943
2006年8月10日电表显示数字为7249
注：交流互感器为1：160
总用电量为：（7249-6943）×160=48960KW
17天系统平均的COP值为:16000*60W×0.5/120=4
按电价为0.5元/ kwh计算，费用为48960*0.5=24480元
每天的平均供冷费用为1440元/天。

五、项目优点：
1. 节约初投资
该系统的原设计方案为采用电锅炉作为热源，在偏远的山区建设电锅炉系统，电力建设费用巨大，采用本方案，仅初投资就节约了600万元，大大降低了甲方的建设费用。
2. 节能
运行费用与电锅炉相比，节约了大约60%。
3. 保护环境
该项目建设在十三陵地区，建成后的采暖空调系统，没有烟囱、没有冷却塔、没有室外机、没有排烟和灰渣，有力地保护了当地的环境，实现了可持续发展的主题。除此之外，还有作为热泵系统本身的安全稳定性、自控程度高、一机多用等诸多优点。
六、 结语
１、 垂直地埋管热泵恒温系统具有节水，节能，环保的特点，是利用可再生能源进行供暖，制冷的新技术，在国家宗教局培训中心采用这一技术，对推广利用清洁能源有重要的示范意义。
２、 在岩石层应用地源热泵系统的成功，标志着在我国热泵应用技术的又一次长足发展。
作者介绍：滑奇 男 生于1965年 北京三合绿色环保设备有限公司副总经理
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