热回收型地源热泵空调系统在某别墅工程中的应用

热回收型地源热泵空调系统在某别墅工程中的应用

作者：秦艳 牛全林
浙江盾安机电科技有限公司

摘要：目前我国建筑能耗有将近55%是生活热水和采暖空调能耗，且该比例仍在上升中。热回收型地源热泵是一种利用地下浅层地热资源、既可制冷、供热，还可以提供生活热水的节能环保技术。本文介绍了某别墅热回收型地源热泵空调系统的设计方案，重点介绍了设计方法及运行费用分析。
关键词：热回收型地源热泵、生活热水系统

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
    当前，暖通空调能耗占大型建筑总能耗的40%～60%，已成为建筑能耗大户。如何降低大型公共建筑能耗特别是HVAC系统的能耗成为中国建筑节能的重要任务。2005年7月国务院文件指出要建设节约型社会，内容包括：建筑节能、节水、节地与节材，并发布了《公共建筑节能设计标准》。目前我国能源短缺导致的能源供应紧张和消费骤增之间的矛盾日趋严重，而且随着国家节能减排政策的提出，建筑节能成为国家节约能源工作的重点。某别墅工程要采用中央空调系统，同时又要求申报节能建筑项目，决定采用热回收型地源热泵空调系统来节省能源。

1.工程概述
    本工程为山西运城关公企业之家别墅热回收型地源热泵中央空调工程，有400套别墅，总建筑面积约200000平方米。共需热回收型地源热泵机组400套，本方案仅对A户型别墅进行详细的方案设计描述，A户型共三层，每栋建筑面积约462平方米。

2.设计要求
    本工程所有区域考虑地源热泵中央空调系统，要求夏季制冷，冬季制热，且能提供生活热水；整个空调系统设计以实用、高效节能、维护简单、管理方便为原则。
2.1室外设计计算温度
根据运城市气象统计资料，室外空调设计计算参数如下：
夏季空调室外计算干球温度：35.5℃
夏季空调室外计算湿球温度：25.9℃
冬空调室外计算干球温度：-9℃
2.2室内空调设计计算温度

3.空调设计依据
    本方案以《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003、《制冷设备安装、施工及验收规范》GBJ64-87、《工业管道工程施工及验收规范》GB50235-97、《通风及空调工程安装、施工及验收规范》GB50243-2002、《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003、《地源热泵系统工程技术规范》 GB 50366-2005及甲方提供的相关要求为设计依据，并结合了我公司多年从事暖通空调工程设计、施工的经验。方案中兼顾了技术和经济指标。

4.热水耗热量确定
考虑到生活用水及卫生用水需要，别墅人数按6人计算，每人每日用水100l，则日用水量600l，按《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003、本工程热水供水温度按45℃设计，夏季热水补水温度为25℃，过渡季热水补水温度为15℃，冬季热水补水温度为5℃。
各季节设计小时热水耗热量如下：

5.空调冷热负荷确定
根据甲方提供的资料、本工程相关的负荷情况汇总见下表：

6.空调及热水方案
    空调用水：结合我公司多年的中央空调设计经验，考虑到关公故里别墅特殊的品味，解决供暖供热及提供生活热水最有效及最经济的方案是采用热回收型地源热泵方案；考虑工程较小,可按夏季放热量来布置地埋管的数量；
卫生热水：本工程不但要求采用中央空调系统，且要求全年集中供应卫生热水，考虑到夏季制热时机组有大量的冷凝热可以免费利用，我们在冷水机组冷凝器前设置热回收装置，加热卫生热水到45℃，产生的热水流入置于机房的保温水箱储存，这样可以整个夏季免费供应热水，而且由于增加了冷凝器面积，可以提高冷水机组的制冷效率10%；冬季地源热泵机组制热运行，因为热量有富余,在空调供水管上分一旁路至水箱,水箱出水经净水器处理送给户主使用；过渡季节地源热泵机组开启直接制热水，经净水器处理送给户主使用。
对于热水储热水箱；按照《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003及别墅的实际情况，选用一只1立米的热水箱,足以满足生活及卫生热水的需要：
主机选择：
根据冷热负荷及热水负荷，本工程确定选用1台RSW065H盾安牌热回收型地源热泵机组一台，机组的相关参数如下：

夏季制冷工况：冷冻水进出水温度12/7℃，冷却水进出水温度30/35℃；
冬季制热工况：冷水进出水温度10/5℃，热水进出水温度40/45℃；
热回收器进水温度25℃，热回收器出水温度45℃；
各季节机组配置及能量发生情况如下表：

从上表可以看出，各机组运行时，制冷量、制热量及卫生热水负荷都能满足要求；

7.地源热泵中央空调地下埋管式换热系统的设计
关公故里别墅地处运城市，根据相关地质资料，比较适合地源热泵工程建设。
考虑到别墅用周边绿化场地较多，本工程将地埋管置于建筑外空地下，地埋管埋设完毕后,地表面再进行绿化，因地埋管设计寿命长，能与建筑很好的协调；本工程的地埋管设计采用地源热泵专用的PE80管，单U布置；规格D32*3.0，承压1.25MPa。
地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点,根据《国际地源热泵安装设计手册》及根据当地的土壤特性、气候条件、地质结构等特点并结合该项目的具体情况，采用竖埋管的方式比较可行。具体设计步骤如下：
A.计算地下换热器的最大换热量：
我们经过严格的负荷计算确定了整个别墅的冷负荷为65KW，热负荷为52KW。
夏、冬季地下换热量分别是指夏季向土壤中排放的热量和冬季从土壤中吸收的热量。
夏季向土壤中排放的热量为：设计冷负荷65KW*[1+1/（65/13.5）]=78KW
冬季从土壤中吸收的热量为：设计热负荷52KW*[1-1/（52/14）]=38KW
根据以上简单计算可以看出夏季向土壤排放的热量高于冬季从土壤中吸收的热量。所以以夏季向土壤中排放的热量来进行换热量计算，该地下埋管式换热器的最大换热量为78KW。
B.竖井埋管管长的计算：
竖井埋管的长度取决于单位埋管的换热能力，我们根据该地区地质结构和以往的工程经验，综合估计出该方案中单位埋管的换热量为40W/M，所以地埋管总管长为：L=78*1000/40=1950米
C.确定竖井数目及间距:
竖井深度多采用50-120米，我们决定此项目的井深度为100米比较合理，所以井的数目为：1950/（100*2）=10口；井间距的大小直接影响井与井之间的相互热干扰，间距大热干扰小，有利于换热、间距小热干扰大、不利于换热；但埋管面积有限，不可能无限制的扩大井间距，结合本工程的实际情况和以往的工程经验，我们取井间距为4米。地埋管占地面积：10*16=160平方米。
根据以上计算得出本工程制冷所需的钻孔总深度为1000米；考虑到运城地区的地质条件，本工程确定每个钻孔深度为100米，所需的井数为10个；再以4米*4米布置井距，所需地埋管的面积为160平方米，根据甲方提供的平面图纸，场地完全可以满足需要！

8.相关水泵的配置
考虑到别墅特殊的品味,采用质量优良的水泵，相关水泵配置如下：
8.1空调末端水系统循环泵
根据末端循环水量（考虑1.15的系数），选择2台末端水系统循环水泵，一用一备，具体型号及参数如下：

8.2地埋管水系统循环泵
根据地埋管系统循环水量（考虑1.15的系数），选择2台地埋管系统循环水泵，一用一备，具体型号及参数(同上)。

8.3卫生热水循环泵

8.4卫生热水供水泵

9.中央空调主要设备初步选型表

10.空调系统总配电负荷表

11. 中央空调运行费用分析
11.1热回收型地源热泵机组加末端全年运行费用
19.044KW×8小时/天×30天/月×7个月×0.6元/度×0.55（平均负荷率）=10558元
11.2每平方米每天运行费用指标为
10558元/462平方米/（30天/月×7个月）=0.108元/平方米/天
备注：★中央空调系统小时耗电功率=热回收型地源热泵空调主机功率+风机盘管机组功率+末端循环泵功率+地埋管水系统循环水泵功率
★年运行时间=8小时/天×30天×7个月/年小时；电费=0.6元/度。
★此运行费用指标仅为中央空调系统运行费用指标，不包含制生活热水系统运行费用。

12. 用热回收型地源热泵机组每制1T生活热水所需的运行费用分析
12.1夏季制冷的同时可免费提供生活热水
12.2过渡季节及冬季热回收型地源热泵机组运行费用
{1T*1000*1kcal/kg℃ *（45-5）℃/860Kcal/4.3}*0.6元/度=6.5元
备注：式中4.3为热回收型地源热泵机组制生活热水时的综合能效比；电费=0.6元/度。

13. 总结
13.1采用热回收型地源热泵系统能够达到设计要求，并能比传统方式创造更舒适的环境，虽然初投资比常规方式增加10～30%，但能使能耗减少50%以上，三年内可回收增加的投资。
13.2地源热泵夏季COP可达5.3，比传统空调系统高近83%；冬季COP为4.3左右，比传统空调系统高近54%。
13.3热回收型地源热泵不但大大降低了别墅的消耗，还减少了大气污染，具有良好的经济、社会效益。
使用热回收型地源热泵空调系统，节能减排意义重大。通过介绍此方案，让更多的暖通工程设计人员对热回收型地源热泵系统有个全面的了解，并达到推广热回收型地源热泵空调系统的目的。

附录一：室内空调设计图纸

 
 附录二：空调主机房流程图

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。