熱回收型地源熱泵空調系統(tǒng)在某別墅工程中的應用

作者：秦艷 牛全林
浙江盾安機電科技有限公司

摘要：目前我國建筑能耗有將近55%是生活熱水和采暖空調能耗，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熱資源、既可制冷、供熱，還可以提供生活熱水的節(jié)能環(huán)保技術。本文介紹了某別墅熱回收型地源熱泵空調系統(tǒng)的設計方案，重點介紹了設計方法及運行費用分析。
關鍵詞：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
    當前，暖通空調能耗占大型建筑總能耗的40%～60%，已成為建筑能耗大戶。如何降低大型公共建筑能耗特別是HVAC系統(tǒng)的能耗成為中國建筑節(jié)能的重要任務。2005年7月國務院文件指出要建設節(jié)約型社會，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)能設計標準》。目前我國能源短缺導致的能源供應緊張和消費驟增之間的矛盾日趨嚴重，而且隨著國家節(jié)能減排政策的提出，建筑節(jié)能成為國家節(jié)約能源工作的重點。某別墅工程要采用中央空調系統(tǒng)，同時又要求申報節(jié)能建筑項目，決定采用熱回收型地源熱泵空調系統(tǒng)來節(jié)省能源。

1.工程概述
    本工程為山西運城關公企業(yè)之家別墅熱回收型地源熱泵中央空調工程，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組400套，本方案僅對A戶型別墅進行詳細的方案設計描述，A戶型共三層，每棟建筑面積約462平方米。

2.設計要求
    本工程所有區(qū)域考慮地源熱泵中央空調系統(tǒng)，要求夏季制冷，冬季制熱，且能提供生活熱水；整個空調系統(tǒng)設計以實用、高效節(jié)能、維護簡單、管理方便為原則。
2.1室外設計計算溫度
根據(jù)運城市氣象統(tǒng)計資料，室外空調設計計算參數(shù)如下：
夏季空調室外計算干球溫度：35.5℃
夏季空調室外計算濕球溫度：25.9℃
冬空調室外計算干球溫度：-9℃
2.2室內(nèi)空調設計計算溫度

3.空調設計依據(jù)
    本方案以《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50019-2003、《制冷設備安裝、施工及驗收規(guī)范》GBJ64-87、《工業(yè)管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50235-97、《通風及空調工程安裝、施工及驗收規(guī)范》GB50243-2002、《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》 GB 50366-2005及甲方提供的相關要求為設計依據(jù)，并結合了我公司多年從事暖通空調工程設計、施工的經(jīng)驗。方案中兼顧了技術和經(jīng)濟指標。

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人計算，每人每日用水100l，則日用水量600l，按《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003、本工程熱水供水溫度按45℃設計，夏季熱水補水溫度為25℃，過渡季熱水補水溫度為15℃，冬季熱水補水溫度為5℃。
各季節(jié)設計小時熱水耗熱量如下：

5.空調冷熱負荷確定
根據(jù)甲方提供的資料、本工程相關的負荷情況匯總見下表：

6.空調及熱水方案
    空調用水：結合我公司多年的中央空調設計經(jīng)驗，考慮到關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系統(tǒng)，且要求全年集中供應衛(wèi)生熱水，考慮到夏季制熱時機組有大量的冷凝熱可以免費利用，我們在冷水機組冷凝器前設置熱回收裝置，加熱衛(wèi)生熱水到45℃，產(chǎn)生的熱水流入置于機房的保溫水箱儲存，這樣可以整個夏季免費供應熱水，而且由于增加了冷凝器面積，可以提高冷水機組的制冷效率10%；冬季地源熱泵機組制熱運行，因為熱量有富余,在空調供水管上分一旁路至水箱,水箱出水經(jīng)凈水器處理送給戶主使用；過渡季節(jié)地源熱泵機組開啟直接制熱水，經(jīng)凈水器處理送給戶主使用。
對于熱水儲熱水箱；按照《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003及別墅的實際情況，選用一只1立米的熱水箱,足以滿足生活及衛(wèi)生熱水的需要：
主機選擇：
根據(jù)冷熱負荷及熱水負荷，本工程確定選用1臺RSW065H盾安牌熱回收型地源熱泵機組一臺，機組的相關參數(shù)如下：

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

從上表可以看出，各機組運行時，制冷量、制熱量及衛(wèi)生熱水負荷都能滿足要求；

7.地源熱泵中央空調地下埋管式換熱系統(tǒng)的設計
關公故里別墅地處運城市，根據(jù)相關地質資料，比較適合地源熱泵工程建設。
考慮到別墅用周邊綠化場地較多，本工程將地埋管置于建筑外空地下，地埋管埋設完畢后,地表面再進行綠化，因地埋管設計壽命長，能與建筑很好的協(xié)調；本工程的地埋管設計采用地源熱泵專用的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)設計的重點,根據(jù)《國際地源熱泵安裝設計手冊》及根據(jù)當?shù)氐耐寥捞匦?、氣候條件、地質結構等特點并結合該項目的具體情況，采用豎埋管的方式比較可行。具體設計步驟如下：
A.計算地下?lián)Q熱器的最大換熱量：
我們經(jīng)過嚴格的負荷計算確定了整個別墅的冷負荷為65KW，熱負荷為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：設計冷負荷65KW*[1+1/（65/13.5）]=78KW
冬季從土壤中吸收的熱量為：設計熱負荷52KW*[1-1/（52/14）]=38KW
根據(jù)以上簡單計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進行換熱量計算，該地下埋管式換熱器的最大換熱量為78KW。
B.豎井埋管管長的計算：
豎井埋管的長度取決于單位埋管的換熱能力，我們根據(jù)該地區(qū)地質結構和以往的工程經(jīng)驗，綜合估計出該方案中單位埋管的換熱量為40W/M，所以地埋管總管長為：L=78*1000/40=1950米
C.確定豎井數(shù)目及間距:
豎井深度多采用50-120米，我們決定此項目的井深度為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，不可能無限制的擴大井間距，結合本工程的實際情況和以往的工程經(jīng)驗，我們?nèi)【g距為4米。地埋管占地面積：10*16=160平方米。
根據(jù)以上計算得出本工程制冷所需的鉆孔總深度為1000米；考慮到運城地區(qū)的地質條件，本工程確定每個鉆孔深度為100米，所需的井數(shù)為10個；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，場地完全可以滿足需要！

8.相關水泵的配置
考慮到別墅特殊的品味,采用質量優(yōu)良的水泵，相關水泵配置如下：
8.1空調末端水系統(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臺末端水系統(tǒng)循環(huán)水泵，一用一備，具體型號及參數(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臺地埋管系統(tǒng)循環(huán)水泵，一用一備，具體型號及參數(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.中央空調主要設備初步選型表

10.空調系統(tǒng)總配電負荷表

11. 中央空調運行費用分析
11.1熱回收型地源熱泵機組加末端全年運行費用
19.044KW×8小時/天×30天/月×7個月×0.6元/度×0.55（平均負荷率）=10558元
11.2每平方米每天運行費用指標為
10558元/462平方米/（30天/月×7個月）=0.108元/平方米/天
備注：★中央空調系統(tǒng)小時耗電功率=熱回收型地源熱泵空調主機功率+風機盤管機組功率+末端循環(huán)泵功率+地埋管水系統(tǒng)循環(huán)水泵功率
★年運行時間=8小時/天×30天×7個月/年小時；電費=0.6元/度。
★此運行費用指標僅為中央空調系統(tǒng)運行費用指標，不包含制生活熱水系統(tǒng)運行費用。

12. 用熱回收型地源熱泵機組每制1T生活熱水所需的運行費用分析
12.1夏季制冷的同時可免費提供生活熱水
12.2過渡季節(jié)及冬季熱回收型地源熱泵機組運行費用
{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組制生活熱水時的綜合能效比；電費=0.6元/度。

13. 總結
13.1采用熱回收型地源熱泵系統(tǒng)能夠達到設計要求，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5.3，比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)高近83%；冬季COP為4.3左右，比傳統(tǒng)空調系統(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、社會效益。
使用熱回收型地源熱泵空調系統(tǒng)，節(jié)能減排意義重大。通過介紹此方案，讓更多的暖通工程設計人員對熱回收型地源熱泵系統(tǒng)有個全面的了解，并達到推廣熱回收型地源熱泵空調系統(tǒng)的目的。

附錄一：室內(nèi)空調設計圖紙

 
 附錄二：空調主機房流程圖

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。