地源热泵风机盘管加独立新风系统方案.doc

某别墅
地源热泵空调系统

技
术
方
案

2009年7月

目录

第一章 工程概况及方案设计依据 1
1、工程概况 1
2、设计依据 1
第二章 室外地埋管系统设计方案说明 3
1、系统设计思路 3
2、土壤换热器换热参数 5
第三章 地源热泵系统机房设计方案 9
1、机房配置说明 9
第四章 地源热泵系统末端设计方案 11
1、风机盘管加独立新风系统特点及应用 11
2、风机盘管选型 11

第一章 工程概况及方案设计依据
1、工程概况
本项目位于浙江绍兴，该建筑—E10#楼主要以居住为主，建筑面积为303.4m2。由于本项目暂未提供冷热负荷，考虑浙江绍兴气候特点，按照负荷指标法进行空调冷热负荷计算（包括新风冷负荷）。具体数据如下表：
空调冷负荷
一层115.9m2
二层118m2
三层62.2
总和
17.4kw
17.7kw
9.4kw
44.5kw

空调热负荷
一层115.9m2
二层118m2
三层62.2
总和
15.1kw
15.3kw
8.1kw
38.5kw

2、设计依据
2.1、设计所采用的相关规范和技术标准：
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003
《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2005年版)
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002
《给排水管道工程施工及验收规范》GB50268-97
《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101-2004 J362-2004
《地源热泵供暖空调技术规程》GB50366-2005
2.2、室外设计参数
1、夏季空调室外计算干球温度：32.1℃
2、夏季空调室外计算湿球温度：28.0℃
3、夏季平均日较差：3.8℃
4、冬季空调室外计算干球温度：-4℃
5、冬季采暖室外计算干球温度：-2℃
6、冬季通风室外计算干球温度：3℃
7、室外平均风速：夏季 3.8m/s 冬季 3.8m/s
3、技术方案附件
附一、地源热泵空调系统与传统空调系统运行费用比较
1运行费用分析计算约定
1、能效比cop=制冷（热）量/输入功率
2、每年制冷4个月120天，平均每天工作10小时共计1200小时
3、每年制热4个月120天，平均每天工作10小时共计1200小时
4、约定电价0.60元/kW.h，天然气价格2.7元/立方米
2 运行费用计算分析
（1）地源热泵空调系统运行费用
季节
负荷百分比
主机输入功率kW
停机率
辅助设备功率kW
时间百分比
时间（h）
电费
运行费用
（元/度）
（元）
夏季制冷
30%
2.31
0.8
2.1
20%
240
0.6
568.51
70%
5.39
0.8
2.1
50%
600
0.6
2,308.32
100%
7.7
0.8
2.1
30%
360
0.6
1,784.16
冬季制热
30%
3.24
0.5
2.1
20%
240
0.6
535.68
70%
7.56
0.5
2.1
50%
600
0.6
2,116.80
100%
10.8
0.5
2.1
30%
360
0.6
1,620.00
总计

8,933.47
使用地源热泵机组，夏季制冷季节得到的生活热水是完全免费的，其他季节制取生活热水的时间为8个月，也就是240天，生活热水为0.3M3/天，则制取生活热水的费用为0.3M3/天 *240天 *35℃*0.17元(每M3的水温度升高1℃)=428.4元，所以采用地源热泵机组系统，一年中空调部分加生活热水部分运行费用为：8,933.47+428.4=8827.87元

（2）传统空调系统运行费用
季节
负荷百分比
主机输入功率kW
停机率
辅助设备功率kW
时间百分比
时间（h）
电费
运行费用
（元/度）
（元）
夏季制冷
30%
7.35
0.8
2.1
20%
240
0.6
1,149.12
70%
17.15
0.8
2.1
50%
600
0.6
5,695.20
100%
24.5
0.8
2.1
30%
360
0.6
4,687.20
冬季制热
30%
7.35
0.5
2.1
20%
240
0.6
831.60
70%
17.15
0.5
2.1
50%
600
0.6
3,843.00
100%
24.5
0.5
2.1
30%
360
0.6
3,099.60
总计

19,305.72
使用传统空调系统时，一年365天都要使用传统设备制取生活热水，设定使用燃气锅炉热水器，则制取生活热水的费用为0.3M3/天 *365天 *35℃*0.38元（每M3的水温度升高1℃）=1456.35元，所以采用传统空调系统，一年中空调部分加生活热水部分运行费用为：
19,305.72+1456.35=20762.07元 19,305.72*0.6+1456.3*0.45=12238.3元
综上所述：一年中，地源热泵空调系统比传统空调系统运行费用节约20762.07-8827.87=11934.2元。12238.3-8827.87=3410.4元。
（3）参考数据表---各种能源形式达到同等效果的所需费用
能源
类型
热值
价格
实现
形式
效率
1吨水加热1摄氏度需4200KJ各能源需求量
1吨水加热1摄氏度需4200KJ所需能源费用（元）
电
3600 KJ/度
0.6
元/度
地源热泵
4.3
0.28度
0.17
电加热器
0.8
2.3度
1.4
天然气
35588
KJ/立方米
2.7
元/立方米
燃气锅炉
0.8
0.14立方米
0.38
柴油
42705
KJ/kg
5.73
元/kg
柴油锅炉
0.8
0.12立方米
0.69

附二、地源热泵空调系统与传统空调系统初投资费用比较

地源热泵空调系统（万元）
传统空调系统（万元）
地埋管
16.7
0
机组
6.5
8.5
末端
5.5
5.5
加热设备
0.58
1.6
其他配件
6.5
6.5
总计
35.78
22.1
从表中可看出：地源热泵空调系统初投资费用比传统空调系统高35.78-22.1=13.68万元；按每年运行费用节约11934.2元来计算，回收年限为：136800/11934.2=11年，地埋管部分使用寿命为50年以上，采用地源热泵系统，投资回报后，剩余39年运行费用总共可节约39*11934.2=465433.8元（46.6万元），
传统空调使用寿命为12-15年，地源热泵空调使用寿命为15-18年， 50年中，传统空调需更换4次，地源热泵空调只需更换3次，又省掉1台地源热泵机组的投入，由此产生的经济效益（8.5万元）是相当可观的。
地源热泵热水机组使用寿命为15-18年，燃气锅炉热水器使用寿命为6-8年，50年中，地源热泵热水机组更换约3次，燃气锅炉热水器需更换6次，节省的设备费用为3*1.6=4.8万元。
综合以上，50年中，使用地源热泵机组产生的经济效益为46.6+8.5+4.8=59.9万元。

第二章 室外地埋管系统设计方案说明
1、系统设计思路
近年来由于节能环保要求的提高，对建筑的采暖空调方式提出了新的要求。作为独立的建筑物，既需要冬季供暖又需要夏季空调。根据这种实际需求，我们推荐采用当今最新技术的热泵系统—地源热泵系统。
消耗的电能 2.91kW
即2,500大卡
(25%)
热泵机组
性能系数
COP=4
供热量
10,000大卡
(100%)
吸收的地下水热量
7,500大卡
(75%)
（免费的自然能源）
热泵系统是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。热泵机组通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量（如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。请参见图2-1能流示意图。

图2-1能流图

地源热泵热泵系统是一种先进的高效节能、无任何污染的采暖空调方式，在建筑用能领域，是作为环保和节能首推的新技术应用项目。2003年建设部将热
泵采暖空调技术列为建筑节能新技术成果大力推广。推广热泵技术，将对保护环境、提高环境质量、进一步推动和落实“还人类碧水蓝天”起到更好的积极效果。
热泵机组根据对水源的利用方式的不同，可以分为开式系统和闭式系统两种。开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过热泵机组换热后直接排放的系统；闭式系统是指利用闭式循环的土壤换热器进行换热，土壤换热器一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与土壤或湖水海水换热来实现能量转移。即通常说的水源热泵和地源热泵。如图2-2、2-3、2-4、2-5所示

图2-2地源热泵系统冬季工作示意图 图2-3地源热泵系统冬季工作示意图

图2-4水源热泵系统夏季工作示意图 图2-5水源热泵系统冬季工作示意图
由于水源热泵受当地的地质条件影响，目前项目所在地的地层结构我们尚不了解，鉴于地源热泵的优点，本项目的空调系统我们推荐采用地源热泵空调系统。
如上文所述，当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以环保和节能为
主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，而地源热泵空调系统正是满足这些要求的新兴中央空调系统。
2、土壤换热器换热参数
2.1确定埋管形式
土壤换热器采用地下埋管（即埋置地下热交换器）的方式来实现，埋管方式多种多样。目前普遍采用的有垂直埋管和水平埋管两种基本的配置形式。水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将HDPE管水平的埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺，垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下热交换器（HDPE管）以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。如图2-6、2-7所示：

图2-6水平埋管 图2-7垂直埋管
地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管形式较垂直埋管形式占地面积大、换热效率低，但相应初投资也会较低。
综合本项目各方面条件，拟采用的是垂直埋管。
2.2、土壤换热器的换热量和换热管长设计
由于我所隶属于上海地矿工程勘察院，积累了大量的地质资料，并结合我所在实施的多个地源热泵工程，积累了大量的各个地层的换热量资料，综合本项目所在地区的地层情况，参照类似工程的成功案例，本项目单位钻孔延长米的平均换热量暂定为冬季45w/m，夏季65w/m（建议业主委托有测试能力的公司进行项目实测，以确定更准确的换热率）。结合本项目现场实际场地条件和满足换热要求，拟设计为双U型竖埋管，管径为φ32mm高密度聚乙烯换热管（HDPE），通过详细计算，地埋管最大需求数量为3600米；根据我所以往大量成功项目的施
工经验，结合本项目所在地地层特性，并考虑经济效益，设定本项目土壤换热器的换热孔深为45m，则换热孔数量核算为18.2个，考虑到一定的安全系数，取20个孔。根据《地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2005》，换热孔间距取4.5*4.5m（局部间距，按地下管线、障碍物情况，在规范规定的3-6m范围内调整），整个建筑物所需的换热孔分部占地面积约为200m2左右。
2.3、地埋管材及技术参数
本工程空调冷热源由土壤耦合器提供，因土壤温度地表15m下受大气影响较小，年平均温度在18℃左右，故土壤耦合器采用垂直形式埋管减少占地面积。
F 主要技术参数
采用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），原材料为进口材料，技术参数为：管外径32mm、管壁厚3mm、承压能力1.6Mpa，其具有接口稳定可靠、抗应力开裂性好、耐化学腐蚀性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用寿命长（寿命可达50年）等多种优点，除了应用在地下换热孔中外，还广泛应用于城镇供水、天然气、煤气输送管道、食品、化工等领域。
F 施工工艺和质量保证措施
土壤换热器系统是整个地源热泵系统的核心和关键，其质量的好坏直接关系到整个系统能否安全可靠地运行。而且工程一旦完成，其将不可修复。因此，针对地源系统工程的为隐蔽性工程的特殊性，我所在多个类似项目经验的基础上，形成了一整套完善的地埋管系统质量保证措施，主要从以下几个方面来保证工程质量万无一失：
1） 高密度PE管质量方面：a）产品出厂时要有产品合格证，要有原材料进口证明；b）进货后，现场分批取样送检，并现场对长度、壁厚、外径等进行检验；c）合格的PE管，要在工厂进行管底连接，然后进行打压试验；d）货到现场，下管前要进行打压，并保压15分钟，压降在规定范围内即为合格，合格的PE管，方可下入钻好的换热孔；e）PE管下到孔底后，在回填料之前，再进行二次打压试验，合格后方可进行回填料（不合格的将该PE管提出，下入新的合格的PE管）。
2） PE管下入孔前的技术准备：传统的方法是将连接好的PE管直接下入换热孔内，PE管在下入孔内后的形状将不规则，PE管之间会发生强烈的换热干扰，
从而影响整个换热孔的换热效率；我所的做法是在PE管下入换热孔之前，在PE管之间安装专用支架，分隔管材，支架间距4米，使PE管之间具有一定的距离，且尽可能紧靠换热孔的孔壁，加强换热管与地层的换热效果，减小PE管之间的换热干扰。同时选用加重管底接头，保持管材下入时的垂度。通过该种方法可以确保地下换热管的有效换热量。（如图2-8所示，左边的为传统的做法，右边的为我单位采用的方法）。 图2-8
3） 下管后的填料：填料的密实与否直接关系到换热孔的换热效率，为了提高填料的密实程度，一方面，要严格控制填料的速度，均匀慢速填料，减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会；另一方面，要分批次进行填料，在均匀填料的过程中向孔内注入水，从而避免填料在孔内形成搭桥，即使形成搭桥也可冲开，确保填料密实。如图2-9所示

图2-9 分批填料示意图

通过以上质量控制措施，可确保室外换热管系统使用寿命在50年以上。换热孔通过联络管分区连接后汇入机房内。循环液在完全封闭的地下管路中流动，对地下环境无任何污染。
2.4、埋管联络系统
为确保每一个土壤换热器都能有一定的换热液流过，实现有效、高效换热，同时最大限度增加系统的安全性，所以土壤换热器按同程方式连接，确保各土壤换热器内循环液的流量、流速一致。

第三章 地源热泵系统机房设计方案
1、机房配置说明
1.1、冷热源机组的选用
建筑的冷负荷为44.5kw，热负荷为38.5kw，经过计算为建筑配置意大利著名品牌 克莱门特公司生产的(EM)HRHN0152型热泵机组1台，满足冬夏季冷热负荷。机组具体参数如下表所示：
项 目
单位
(EM)HRHN0152
制冷工况
制冷量
KW
45.8
电功率
KW
10.0
制热工况
制热量
KW
47.7
电功率
KW
11.8
机组外型尺寸

600×800×940mm
1.2、循环水泵的选用
本项目的站房为建筑物的建筑内部，控制站房的噪声尤为重要，另外，目前
市场上水泵普遍存在噪声过高，震动大，所以该系统的末端循环泵选用优质屏蔽泵，该泵对泵和电机进行了一体化设计，把泵腔与电机制成了一个绝对密封的整体，一方面，普通水泵的主要易损件机械密封（轴封），从而彻底解决了水泵因轴封（动密封）损坏而漏水的难题，因而使水泵滴水不漏，泵房干净整洁；二方面，去掉了滚动轴承，采用浸渍石墨材质制成的滑动轴承，具有摩擦系数小，自润滑性能好，高耐磨，用输送介质润滑，因而整机呈静音设计，低噪声运行，同时还省略了对轴承的定期加油和保养费用。另外，对叶轮采用了悬浮式设计，使转子在运转中始终处于悬浮状态，降低了转子对石墨轴承的轴向磨损，从而使石墨轴承的使用寿命成倍增加，可以达到3万个小时以上。
1.3、热回收系统
通常冷水机组的工质的冷凝，大都单纯地采用冷却水或者空气冷却，不言而喻这部分巨大的热量就白白地送入大气而浪费了。并且为了帯走这些巨大的热量而专门设置的冷却水系统或风冷系统还要消耗大量的电能，这是人们所不希望的，或者说不情愿的。
这部分热量实际上完全可加以利用（比如加热生活热水），在高压高温的气态工质进入到冷凝器初端时，再加一套热回收用的热交换装置，再由通常的冷却水系统或者空气冷却系统承担。当然，这部分负担就小多了，而为解决这部分冷凝热而设置的冷却水系统或者空气冷却系统所消耗也将大大减少，不难想象整个制冷机的冷却效率将大大提高。
夏季，机组回收冷凝热，可以免费得到大量的冷凝热。简单的说，就是地源热泵机组把从房间得到的热量，不直接送到地下，先进行回收用于日常生活所需，多余的热量再送到地下；春季、秋季、冬季，根据别墅面积及使用功能，并结合我们以往的工程经验，经过计算，为别墅配置一台约3300W的热回收机组；如图所示：3-1热回收原理图、3-2承压保温水箱

图3-1 图3-2

冬季，通过地源热泵机组可以得到5倍于传统电能热水器的高能效比供热，非常节能。

第四章 地源热泵系统末端设计方案
1、风机盘管加独立新风系统特点及应用
风机盘管加独立新风系统是半集中式空调系统的典型代表，它投资少，使用灵活，广泛应用于酒店客房、办公楼、别墅等建筑中，是目前我国民用建筑空调中最普遍采用的一种系统形式。风机盘管加独立新风空调系统是以风机盘管为主，担负空调房间的冷热负荷，风机盘管一般安装在每个空调房间。该系统有如下优点：
（1）可进行局部区域的温度调整与控制。各房间可通过风机盘管控制其供冷量和供热量，满足房间对不同室温的要求，并且较容易实现自动控制，当房间负荷变化时，自动控制系统可根据室温情况自动关停风机盘管的运行，有利于系统的全年节能运行。
（2）减少输送过程中的能耗。研究表明，输送同样的冷热量至
同一地点时，通常用水管输送时的能耗为用风管输送时的1/2-1/3.
(3)由于风机盘管体积小，结构紧凑，布置灵活且输送同样的冷热量时，水管管径远远小于风管管径，有利于房间的美观。
2、风机盘管选型
经过计算，并综合各厂家风机盘管的优缺点，我们为各房间配由（中英合资）南京天加空调设备有限公司生产的风机盘管，具体如下表：

层数
功能
房间面积
M2
房间冷负荷
（W）
风机盘管型号
台数

一层
餐厅
21.9
3285
TCRD600C
1
客房
13.4
2010
TCRD300C
1
客厅
32.6
4890
TCRD800C
1

二层
卧室1
16.9
4035
TCRD600C
1
卧室2
13.5
2025
TCRD300C
1
主卧
18.4
2760
TCRD500C
1
书房
4.3
645
TCRD200C
1
三层
视听室
24.6
3690
TCRD600C
1