地源热泵方案.docx

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地源热泵方案

别墅地源热泵系统

方

案

书

2011年10月14日

第一节工程概况及设计依据

1.1、工程概况

本项目位于北京市XX，共五栋建筑建筑面积如下表。

采用地源热系统方式实现建筑的夏季供冷、冬季供暖和全年的生活热水供应。

楼宇

楼1

楼2

楼3

楼4

楼5

建筑面积

2205m2

5513m2

7509m2

3008m2

78013m2

1.2、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》CJJ101-2004J362-2004；

《地源热泵供暖空调技术规程》GB50366-2005；

甲方提供的参数及要求。

2.2、室外设计参数

夏季：

空调计算干球温度　　　　33.6℃

　　空调计算湿球温度　　　　26.3℃

空调计算日平均温度　　　29.1℃

　　通风计算干球温度　　　　30.0℃

　　空调计算相对湿度　　　　50%

冬季：

空调计算干球温度　　　　-12℃

　　通风计算干球温度　　　　-5℃

　　空调计算相对湿度　　　　37%

2.3、室内设计参数

室内温度（℃）

相对湿度（%）

室内噪音

夏季℃

冬季℃

夏季

冬季

（标准NR）

24~26

18~20

45~65

35~60

40~50

第二节地源热泵系统组成及优势

2.1、地源热泵系统组成

地源热泵主要由三部分组成：

室内末端空调系统、

水路循环（机房）系统、

室外换热系统、

1）室内末端空调系统

卧式暗装式风机盘管图

室内末端系统可以采用风机盘管加新风系统、风机盘管+低温热水地板辐射采暖系统，低温热水地板辐射采暖系统热具有舒适性好、清洁卫生、不占用室内空间等诸多优点。

风机盘管系统可实现不同空调区域的独立控制，对大空间场所，室内

末端是采用吊顶式风机盘管通过风管来实现均匀送风，对于小空间的场所采用卧式暗装式风机盘管，机组都可以单独控制，随时制冷或制热。

2）机房系统

机房图

机房系统主要由水源热泵冷水机组、动力循环泵、稳压系统和控制系统组成。

通过水泵驱动整个水系统循环。

水源热泵机组可将自土壤中获得的低品位能源转换为高品位能源，再由动力循环泵将这部分能量送入空调区对空调区进行空气调节。

在本系统中水冷机组的COP（EER）最高可达6，具有很好的节能效果。

本系统中动力循环泵采用变频控制，要保证系统供应压力的同时，大大降低了运行费。

3）室外换热系统

本项目的室外系统采用闭式垂直地耦管方式。

即将U型管放入圆形钻孔里，一次性向U型管注入水，U型管里的水与土壤和地下水都不直接接触。

夏天它把建筑物里的热排向大地，冬天再从大地吸热。

2.2、地源热泵优势

在传统住宅建筑中，空调系统耗电常受室外空气温度影响导致耗电增加，空调制冷/供热能耗可占到了建筑物总能耗的50~55%。

我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是工业/民用用电、供热仍是以煤炭为主要燃料消耗。

矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。

大量燃烧矿物燃料所引起的环境问题已日益成为世界关注的焦点。

考虑到住宅的节能环保，提升住宅的品味层次，因地制宜地选用土壤源作为节能环保空调系统的冷（热）源，来替代传统空调系统制冷/供热方式。

采用地源热泵绿色节能能源技术，不仅具有现代化高科技成果的现实客观经济意义,更具有长远的节约型社会发展进步意义。

对于环保生态和高尚品味的健康生活方式正是人们驻足山水、倾心自然的向往所在。

而地源热泵空调恰好秉承了舒适、健康、环保的人性生态观，在山水间延续健康、时尚，把舒适、品味演绎得淋漓尽致！

地源热泵系统优点主要体现在以下几点：

a）属可再生能源利用技术

地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。

这使得地源热泵利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。

所以说，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

b）高效节能

地下土壤温度全年波动较小而且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，这种温度特性使地源热泵比传统的空调运行效率要高40~60%，节能效果明显。

c）运行稳定可靠

地下水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是热泵机组很好的冷热源，地下水温度较恒定的特性，使得热机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

不存在空气源热泵和冬季除霜等难点问题，克服了常规空调因外界气温的变化引起的多耗电，效果差等弊端。

d）环境效益显著

地源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。

所以节能的设备本身的污染就小，设计良好的地源热泵机组折电力消耗，与空气源热泵相比相当于减少40%以上，与电供暖相比相当于减少70%以上。

地源热泵技术采用的环保制冷剂，可以是R22或R134A和R410A等替代共质。

e）一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点。

不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。

f）自动运行

地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命可长达20年以上。

第三节负荷计算

3.1、建筑热负荷

由于本项目暂未提供建筑类型、空调区面积及房间功能，考虑北京气候特点，按照负荷指标法进行空调冷热负荷计算，取建筑热指标为60W/m2，取建筑冷指标为90W/m2，采暖期生活热水指标按表2选取，取15W/m2。

表1建筑采暖热指标推荐值

建筑物

类型

住宅

居住区综合

学校办公

医院托幼

旅馆

商店

食堂餐厅

影剧院展览馆

大礼堂体育馆

热指标（W/m2）

58~64

60~67

60~80

65~80

60~70

65~80

115~140

95~115

115~165

注：

热指标中已包括约5％的管网热损失在内。

表2居住区采暖期生活热水热指标

用水设备情况

热指标（W/m2）

住宅无生活热水设备，只对公共建筑供热水时

全部住宅有浴盆并供给生活热水时

2.5~3

15~20

注：

1.冷水温度较高时采用较小值，冷水温度较低时采用较大值；

2.热指标中已包括约10％的管网热损失在内。

则热负荷计算具体数据如下表：

热负荷

项目

建筑面积/m2

采暖负荷/kw

生活热水负荷/kw

总和负荷/kw

楼1

2205

132

33.1

165

楼2

5513

331

82.7

413

楼3

7509

451

113

563

楼4

3008

180

45.1

226

楼5

78013

4681

1170

5851

3.2、建筑冷负荷

取建筑热指标为90W/m2，则热负荷计算具体数据如下表：

项目

建筑面积/m2

总和负荷/kw

楼1

2205

198

楼2

5513

496

楼3

7509

676

楼4

3008

271

楼5

78013

7021

第四节系统方案

4.1、系统形式

本工程采用垂直地埋管式地源热泵系统，空调未端形式为风机盘管系统或风机盘管+低温热水地板辐射采暖系统，其具体形式如下表：

项目

末端形式

楼1

风机盘管加新风系统

楼2

风机盘管加新风系统

楼3

风机盘管系统+低温热水地板辐射采暖系统

楼4

冬季为低温热水地板辐射采暖系统，夏季为井水直通末端达到供冷功能

楼5

冬季为低温热水地板辐射采暖系统，夏季为井水直通末端达到供冷功能

4.2、系统原理图

1）制冷工况

2）制热工况

第五节室外地埋管系统设计方案说明

5.1、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，采用当今最新技术的热泵系统—地源热泵系统。

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。

请参见下图5-1能流示意图。

5-1地源热泵能流图

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5-2、5-3、5-4、5-5所示

图5-2地源热泵系统夏季工作示意图图5-3地源热泵系统冬季工作示意图

图5-4水源热泵系统夏季工作示意图图5-5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。

5.2、室外土壤换热器设计

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5-6、5-7所示：

图5-6水平埋管图5-7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，采用的是垂直埋管。

2）室外土壤换热器参数计算

冬夏季地下换热量计算

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。

可由下述公式计算：

（1）

（2）

其中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW；

Q1——夏季设计总冷负荷，kW；

Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW；

Q2——冬季设计总热负荷，kW；

COP1——设计工况下机组的制冷系数；

COP2——设计工况下机组的供热系数；

埋孔数的计算

根据冬夏季地埋管系统从土壤吸收的热量和向土壤排放的热量。

地埋管孔数可以由下述公式计算：

N1=Q1＇/（L·K1）

N2=Q2＇/（L·K2）

其中N1——夏季地埋管打孔数，口；

N2——冬季地埋管打孔数，口；

Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW；

Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW；

L——地埋管打孔深度，m；

K1——夏季地埋管孔深延米换热量，0.065kW/m；

K2——设计工况下机组的供热系数，0.045kW/m。

综合本项目所在地区的地层情况和地质资料，并参照我公司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）。

冬、夏季地埋管打孔数见表5-1地埋管孔数参数表。

占地面积估算

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），占地面积可按埋管总数\埋管间距及地埋管的布置形式进行估算。

地埋管占地面积估算值见表5-1地埋管孔数参数表。

表5-1地埋管孔数参数表。

项目

井深/m

夏季孔数/眼

冬季孔数/眼

设计孔数/眼

估算面积/m2

楼1

100

27

37

37

500

楼2

100

68

93

93

1500

楼3

100

93

127

127

2200

楼4

100

37

50

50

750

楼5

100

967

1320

1320

25000

管材的选取

因本工程埋管在土壤1.5米深以下，一但将换热器埋入后，不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。

根据地源热泵施工规范要求选择了高密度聚乙烯PE管，以PE100级聚乙烯材料制造的管材为主，额定承压能力为1.25MPa。

导热系数0.42W/m.k

确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：

（1）管道要大到足够保持最小输送功率（管道阻力最小）；

（2）管道要小到足够使管道内保持紊流（流体的雷诺数Re达到3000以上）以保证流体与管道内壁之间的传热。

显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。

垂直U型管常用管径有De25mm、De32mm、De40mm，本工程垂直埋管选用管De32x3.0mm。

管内流速：

单U控制在0.6~1.0m/s；双U控制在0.4~1.0m/s。

单位管长压力损失控制在3mH2O/100m当量长度以下。

额定承压能力为1.25MPa

水平集管管径选用De63x3.7mm、De75x4.7mm，管内流速控制在2.0m/s以下，各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下。

3）地埋管材及技术参数

室外地埋管系统拟设计为双U型竖埋管，管径为φ32mm高密度聚乙烯换热管（HDPE），土壤换热器的换热孔深为100m。

☞主要技术参数

采用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），技术参数为：

管外径32mm、管壁厚3mm、承压能力1.25Mpa，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。

☞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，我公司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：

高密度PE100管质量方面：

a）产品出厂时要有产品合格证；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）。

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；我公司的做法是在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。

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。

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。

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。

第六节机房设计

6.1、冷热源机组的选用

建筑的热负荷为25.5kw，冷负荷为38.5kw，经过计算为建筑配置清华同方人式环境有限公司生产的HSS系列地下环路式HSSWR-45F（S）E型水源热泵机组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

HSSWR-45F（S）E

制冷工况

制冷量

KW

38.1

电功率

KW

7.2

制热工况

制热量

KW

34.9

电功率

KW

9.6

机组外型尺寸

779×468×804mm

项目

楼1

楼2

楼3

楼4

楼5

热负荷/kw

165

413

563

226

5851

冷负荷/kw

198

496

676

271

7021

机组型号

数量

6.2、循环水泵的选用

本项目的站房拟设在建筑物的地下室部分，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。

6.3、机房系统设备清单

序号

设备名称

设备型号

数量

功率

（kW）

设备参数

（单台）

备注

1

地源热泵机组

HSSWR-45F（S）E

1

制热7.2

制冷9.6

制热量34.9kW

制冷量38.1kW

2

末端循环泵

2

1.5

流量3m3/h

扬程14m

3

地源侧循环泵

2

1.5

流量4m3/h

扬程20m

6.4、风机盘管

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：

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。

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.

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

风机盘管选用清华同方，根据各房间负荷情况，风机盘管的配制如下表：

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

20

2200

1

客房

40

4400

1

客厅

60

6500

2

厨房

30

3000

二层

卧室1

40

4400

1

主卧

40

4400

1

书房

20

2200

1

客厅

50

5500

2

三层

卧室

25

2750

1

书房

25

2750

1

第七节效益分析

7.1、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

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

（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