熱回收型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在某別墅工程中的應(yīng)用

作者：秦艷 牛全林
浙江盾安機(jī)電科技有限公司

摘要：目前我國(guó)建筑能耗有將近55%是生活熱水和采暖空調(diào)能耗，且該比例仍在上升中。熱回收型地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源、既可制冷、供熱，還可以提供生活熱水的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。本文介紹了某別墅熱回收型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)方法及運(yùn)行費(fèi)用分析。
關(guān)鍵詞：熱回收型地源熱泵、生活熱水系統(tǒng)

The application for heat recovery type ground source heat pump air conditioning system in a villa project

Author: Qin Yan，Niu Quanlin

Zhejiang DunAn Electro-Mechanical Technology Co.,ltd

Abstract: Currently, daily hot water, as well as heating and air conditioning energy consumption nearly occupies 55% in state building energy consumption; the proportion is still increasing now. Heat recovery type ground source heat pump is a kind of energy conservative and environment protective technology, which could take use of geothermal resource in the underground shallow layer, and provide daily hot water. It could refrigerate and supply heat. This paper introduces a design scheme for villa use heat recovery type ground source heat pump air conditioning system, emphasis on design methods and operation cost analysis.
Key Words: Heat recovery type ground source heat pump, daily hot water system

0. 引言
    當(dāng)前，暖通空調(diào)能耗占大型建筑總能耗的40%～60%，已成為建筑能耗大戶(hù)。如何降低大型公共建筑能耗特別是HVAC系統(tǒng)的能耗成為中國(guó)建筑節(jié)能的重要任務(wù)。2005年7月國(guó)務(wù)院文件指出要建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，內(nèi)容包括：建筑節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地與節(jié)材，并發(fā)布了《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。目前我國(guó)能源短缺導(dǎo)致的能源供應(yīng)緊張和消費(fèi)驟增之間的矛盾日趨嚴(yán)重，而且隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的提出，建筑節(jié)能成為國(guó)家節(jié)約能源工作的重點(diǎn)。某別墅工程要采用中央空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)又要求申報(bào)節(jié)能建筑項(xiàng)目，決定采用熱回收型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來(lái)節(jié)省能源。

1.工程概述
    本工程為山西運(yùn)城關(guān)公企業(yè)之家別墅熱回收型地源熱泵中央空調(diào)工程，有400套別墅，總建筑面積約200000平方米。共需熱回收型地源熱泵機(jī)組400套，本方案僅對(duì)A戶(hù)型別墅進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)描述，A戶(hù)型共三層，每棟建筑面積約462平方米。

2.設(shè)計(jì)要求
    本工程所有區(qū)域考慮地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，要求夏季制冷，冬季制熱，且能提供生活熱水；整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)用、高效節(jié)能、維護(hù)簡(jiǎn)單、管理方便為原則。
2.1室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度
根據(jù)運(yùn)城市氣象統(tǒng)計(jì)資料，室外空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下：
夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度：35.5℃
夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度：25.9℃
冬空調(diào)室外計(jì)算干球溫度：-9℃
2.2室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度

3.空調(diào)設(shè)計(jì)依據(jù)
    本方案以《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2003、《制冷設(shè)備安裝、施工及驗(yàn)收規(guī)范》GBJ64-87、《工業(yè)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50235-97、《通風(fēng)及空調(diào)工程安裝、施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50243-2002、《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》 GB 50366-2005及甲方提供的相關(guān)要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，并結(jié)合了我公司多年從事暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)、施工的經(jīng)驗(yàn)。方案中兼顧了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4.熱水耗熱量確定
考慮到生活用水及衛(wèi)生用水需要，別墅人數(shù)按6人計(jì)算，每人每日用水100l，則日用水量600l，按《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003、本工程熱水供水溫度按45℃設(shè)計(jì)，夏季熱水補(bǔ)水溫度為25℃，過(guò)渡季熱水補(bǔ)水溫度為15℃，冬季熱水補(bǔ)水溫度為5℃。
各季節(jié)設(shè)計(jì)小時(shí)熱水耗熱量如下：

5.空調(diào)冷熱負(fù)荷確定
根據(jù)甲方提供的資料、本工程相關(guān)的負(fù)荷情況匯總見(jiàn)下表：

6.空調(diào)及熱水方案
    空調(diào)用水：結(jié)合我公司多年的中央空調(diào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到關(guān)公故里別墅特殊的品味，解決供暖供熱及提供生活熱水最有效及最經(jīng)濟(jì)的方案是采用熱回收型地源熱泵方案；考慮工程較小,可按夏季放熱量來(lái)布置地埋管的數(shù)量；
衛(wèi)生熱水：本工程不但要求采用中央空調(diào)系統(tǒng)，且要求全年集中供應(yīng)衛(wèi)生熱水，考慮到夏季制熱時(shí)機(jī)組有大量的冷凝熱可以免費(fèi)利用，我們?cè)诶渌畽C(jī)組冷凝器前設(shè)置熱回收裝置，加熱衛(wèi)生熱水到45℃，產(chǎn)生的熱水流入置于機(jī)房的保溫水箱儲(chǔ)存，這樣可以整個(gè)夏季免費(fèi)供應(yīng)熱水，而且由于增加了冷凝器面積，可以提高冷水機(jī)組的制冷效率10%；冬季地源熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行，因?yàn)闊崃坑懈挥?在空調(diào)供水管上分一旁路至水箱,水箱出水經(jīng)凈水器處理送給戶(hù)主使用；過(guò)渡季節(jié)地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟直接制熱水，經(jīng)凈水器處理送給戶(hù)主使用。
對(duì)于熱水儲(chǔ)熱水箱；按照《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003及別墅的實(shí)際情況，選用一只1立米的熱水箱,足以滿(mǎn)足生活及衛(wèi)生熱水的需要：
主機(jī)選擇：
根據(jù)冷熱負(fù)荷及熱水負(fù)荷，本工程確定選用1臺(tái)RSW065H盾安牌熱回收型地源熱泵機(jī)組一臺(tái)，機(jī)組的相關(guān)參數(shù)如下：

夏季制冷工況：冷凍水進(jìn)出水溫度12/7℃，冷卻水進(jìn)出水溫度30/35℃；
冬季制熱工況：冷水進(jìn)出水溫度10/5℃，熱水進(jìn)出水溫度40/45℃；
熱回收器進(jìn)水溫度25℃，熱回收器出水溫度45℃；
各季節(jié)機(jī)組配置及能量發(fā)生情況如下表：

從上表可以看出，各機(jī)組運(yùn)行時(shí)，制冷量、制熱量及衛(wèi)生熱水負(fù)荷都能滿(mǎn)足要求；

7.地源熱泵中央空調(diào)地下埋管式換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
關(guān)公故里別墅地處運(yùn)城市，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，比較適合地源熱泵工程建設(shè)。
考慮到別墅用周邊綠化場(chǎng)地較多，本工程將地埋管置于建筑外空地下，地埋管埋設(shè)完畢后,地表面再進(jìn)行綠化，因地埋管設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，能與建筑很好的協(xié)調(diào)；本工程的地埋管設(shè)計(jì)采用地源熱泵專(zhuān)用的PE80管，單U布置；規(guī)格D32*3.0，承壓1.25MPa。
地下埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),根據(jù)《國(guó)際地源熱泵安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》及根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥捞匦?、氣候條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)并結(jié)合該項(xiàng)目的具體情況，采用豎埋管的方式比較可行。具體設(shè)計(jì)步驟如下：
A.計(jì)算地下?lián)Q熱器的最大換熱量：
我們經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的負(fù)荷計(jì)算確定了整個(gè)別墅的冷負(fù)荷為65KW，熱負(fù)荷為52KW。
夏、冬季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤中排放的熱量和冬季從土壤中吸收的熱量。
夏季向土壤中排放的熱量為：設(shè)計(jì)冷負(fù)荷65KW*[1+1/（65/13.5）]=78KW
冬季從土壤中吸收的熱量為：設(shè)計(jì)熱負(fù)荷52KW*[1-1/（52/14）]=38KW
根據(jù)以上簡(jiǎn)單計(jì)算可以看出夏季向土壤排放的熱量高于冬季從土壤中吸收的熱量。所以以夏季向土壤中排放的熱量來(lái)進(jìn)行換熱量計(jì)算，該地下埋管式換熱器的最大換熱量為78KW。
B.豎井埋管管長(zhǎng)的計(jì)算：
豎井埋管的長(zhǎng)度取決于單位埋管的換熱能力，我們根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和以往的工程經(jīng)驗(yàn)，綜合估計(jì)出該方案中單位埋管的換熱量為40W/M，所以地埋管總管長(zhǎng)為：L=78*1000/40=1950米
C.確定豎井?dāng)?shù)目及間距:
豎井深度多采用50-120米，我們決定此項(xiàng)目的井深度為100米比較合理，所以井的數(shù)目為：1950/（100*2）=10口；井間距的大小直接影響井與井之間的相互熱干擾，間距大熱干擾小，有利于換熱、間距小熱干擾大、不利于換熱；但埋管面積有限，不可能無(wú)限制的擴(kuò)大井間距，結(jié)合本工程的實(shí)際情況和以往的工程經(jīng)驗(yàn)，我們?nèi)【g距為4米。地埋管占地面積：10*16=160平方米。
根據(jù)以上計(jì)算得出本工程制冷所需的鉆孔總深度為1000米；考慮到運(yùn)城地區(qū)的地質(zhì)條件，本工程確定每個(gè)鉆孔深度為100米，所需的井?dāng)?shù)為10個(gè)；再以4米*4米布置井距，所需地埋管的面積為160平方米，根據(jù)甲方提供的平面圖紙，場(chǎng)地完全可以滿(mǎn)足需要！

8.相關(guān)水泵的配置
考慮到別墅特殊的品味,采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的水泵，相關(guān)水泵配置如下：
8.1空調(diào)末端水系統(tǒng)循環(huán)泵
根據(jù)末端循環(huán)水量（考慮1.15的系數(shù)），選擇2臺(tái)末端水系統(tǒng)循環(huán)水泵，一用一備，具體型號(hào)及參數(shù)如下：

8.2地埋管水系統(tǒng)循環(huán)泵
根據(jù)地埋管系統(tǒng)循環(huán)水量（考慮1.15的系數(shù)），選擇2臺(tái)地埋管系統(tǒng)循環(huán)水泵，一用一備，具體型號(hào)及參數(shù)(同上)。

8.3衛(wèi)生熱水循環(huán)泵

8.4衛(wèi)生熱水供水泵

9.中央空調(diào)主要設(shè)備初步選型表

10.空調(diào)系統(tǒng)總配電負(fù)荷表

11. 中央空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用分析
11.1熱回收型地源熱泵機(jī)組加末端全年運(yùn)行費(fèi)用
19.044KW×8小時(shí)/天×30天/月×7個(gè)月×0.6元/度×0.55（平均負(fù)荷率）=10558元
11.2每平方米每天運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)為
10558元/462平方米/（30天/月×7個(gè)月）=0.108元/平方米/天
備注：★中央空調(diào)系統(tǒng)小時(shí)耗電功率=熱回收型地源熱泵空調(diào)主機(jī)功率+風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組功率+末端循環(huán)泵功率+地埋管水系統(tǒng)循環(huán)水泵功率
★年運(yùn)行時(shí)間=8小時(shí)/天×30天×7個(gè)月/年小時(shí)；電費(fèi)=0.6元/度。
★此運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)僅為中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)，不包含制生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

12. 用熱回收型地源熱泵機(jī)組每制1T生活熱水所需的運(yùn)行費(fèi)用分析
12.1夏季制冷的同時(shí)可免費(fèi)提供生活熱水
12.2過(guò)渡季節(jié)及冬季熱回收型地源熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用
{1T*1000*1kcal/kg℃ *（45-5）℃/860Kcal/4.3}*0.6元/度=6.5元
備注：式中4.3為熱回收型地源熱泵機(jī)組制生活熱水時(shí)的綜合能效比；電費(fèi)=0.6元/度。

13. 總結(jié)
13.1采用熱回收型地源熱泵系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并能比傳統(tǒng)方式創(chuàng)造更舒適的環(huán)境，雖然初投資比常規(guī)方式增加10～30%，但能使能耗減少50%以上，三年內(nèi)可回收增加的投資。
13.2地源熱泵夏季COP可達(dá)5.3，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高近83%；冬季COP為4.3左右，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高近54%。
13.3熱回收型地源熱泵不但大大降低了別墅的消耗，還減少了大氣污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
使用熱回收型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)能減排意義重大。通過(guò)介紹此方案，讓更多的暖通工程設(shè)計(jì)人員對(duì)熱回收型地源熱泵系統(tǒng)有個(gè)全面的了解，并達(dá)到推廣熱回收型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的目的。

附錄一：室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)圖紙

 
 附錄二：空調(diào)主機(jī)房流程圖

注：本文為《地源熱泵》雜志專(zhuān)稿內(nèi)容，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明“中國(guó)地源熱泵網(wǎng)”。