北京市观唐别墅地源热泵应用工程初步设计案

北京市观唐别墅地源热泵应用工程初步设计案例分析

一、工程概况


本工程为北京市观唐别墅C户型，总建筑面积434.1平方米（含架空层），地下一层，地上两层。空调面积约为264平方米，地板采暖面积约为326平方米。空调末端开发商已安装完毕，现需要空调机房、室外地埋系统和室内地板采暖的配置。我公司建议采用美国汇中地源热泵空调机组来满足建筑物的冬季供暖、夏季制冷的需求。
二、地源热泵中央空调系统介绍
2.1 地源热泵中央空调系统介绍
地源热泵技术是一种利用浅层常温土壤或地下水中的能量作为能源的高效节能，零污染，低运行成本的既可供暖又可制冷的新型热泵技术。它高效、节能、环保，有利于可持续发展。地源热泵技术利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过电能驱动，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的热量转移到地下土壤或地下水中，达到制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷，是一种有效地利用能源的方式。
“地源热泵”的概念zui先于1912年由瑞士人Zoelly提出。1946年美国建成一个地源热泵系统。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19％以上，其中在新建筑里面占30％，并以每年10％的速度递长，美国前总统布什为大力推广此节能、环保产品，在得克萨斯州乡间住宅率先应用。在欧洲，德国、法国以及北欧的一些国家应用较多，瑞士-96%、丹麦-27% 、奥地利-38%，他们更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。
中国许多地方各级政府把发展地源热泵作为发展本地经济的一个契机。北京市自1999年起，进行地热供暖示范工程及低温地热能梯级利用技术研究，取得重大成果。为办好本届奥运会，北京市主管部门和科研部门全力合作，相继进行了一些先进技术研究，国内外专家提出以地源热泵为代表的清洁能源符合“绿色奥运、科技奥运”的宗旨，应当在奥运工程建设中推广、使用，会议形成倡议书递交北京市政府和奥运会组委会，受到有关方面的高度重视，后详细研究及考核，将地源热泵中央空调作为2008年北京奥运会指定选用的中央空调型式。地源热泵技术在很大程度上为国家节省能源，缓解电荒，同时也为用户节省了大量的运行费用。
为进一步优化北京市能源结构，提高能源利用效率，加强和规范热泵系统的管理，促进城市的可持续发展，市发展改革委、市规划委、市建委、市市政管委、市科委、市财政局、市水务局、市国土局和市环保局共同研究制定了《关于发展热泵系统的指导意见》（京发改〔2006〕839号），
指导意见中提出了对建筑中选用地源热泵空调系统的项目给予一定的经济补助，补助标准为：地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。


2.2 地源热泵性能特点介绍
地源热泵与常规空调技术相比有着无可比拟的优势。
（1）利用可再生能源：属可再生能源利用技术
地源热泵从常温土壤或地表水（地下水）中吸热或向其排热，利用的是可再生的清洁能源，可持续使用。
（2）高效节能，运行费用低：属经济有效的节能技术
地源热泵的冷热源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。在制热制冷时，输入1KW的电量可以得到5KW以上的制冷制热量。运行费用每年每平方米仅为22――36元，比常规中央空调系统低40%左右。
（3）节水省地：1）以土壤(水)为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染。2）省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观
（4）环境效益显著
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，在供热时，没有燃烧，没有排烟，也没 有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色 环保产品。
(5) 运行安全稳定，可靠性高：地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况非常稳定，优于其它空调设备。不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。维修量极少，折旧费和维修费也都大大地低于传统空调。
三、地埋管地源热泵技术
地埋管技术自50年代开始进入民用建筑，70年代开始各种暖通空调专著多有研究论述，我公司是国内教早涉足地埋管技术的专业空调厂家，我公司在充分利用国外先进技术的同时，结合国内特点以及公司自身优势，开发出具有自主知识产权的、符合中国国情的地源热泵机组，综合国内外现有研究成果，结合我公司多年的工程实践经验归纳如下：
1、埋管方式
一般分两种环路系统，即立埋式环路系统和平埋式环路系统：
1）、立埋式环路系统
立埋式环路系统由深度可达200米的聚乙烯管环路组成，这些环路放在直径100至150mm的垂直管孔中形成与土壤进行热交换。环路分两种系统类型：并联式系统和串联式系统。并联式系统所有管径较小，管环长度较短，所需水泵扬程较低，可用较小的水泵，运行费用较少。
2）、平埋式环路系统
平埋式环路系统是将环路安放在深度约为1.20-1.80m的水平管沟内。由于受地表温度年波动的影响，环路长度需增加15%至30%。立埋式的管孔要用钻井机械钻孔，而平埋式的管沟只要用反向铲开挖即可。平埋式系统通常安装在有较大园地的住宅和场地很大的建筑物。
2、环路设计
1）、选用环路管材：通常选用DN32、DN50的聚乙烯和聚丙烯塑料管，其正常寿命是50年。
2）、管道的长度。计算埋地环路长度时必须考虑土壤的温度、性质、导热系数和管道的直径、流速、热阻等。在美国已为不少地区提供了立埋和平埋的每冷吨所需的环路管道长度。我们在这些方面也作了大量的工作，拥有自己的计算软件。
3）、选择环路管道内的液体。因冬季运行水温较低，平埋式通常选用20%甲醇或20%丙二醇防冻溶液，竖埋式不受地表温度影响因而可采用处理后的自来水。
4）、管内的液体流速，为保证管内流体处于紊流状态，选取管内流速时，应是流体的雷诺数Re达到3000以上。
3、换热参数
1）、为了避免热短路，任何形式的换热器都对换热器之间的距离有一定要求，具体确定这个距离要考虑多方面的因素，zui重要的是确定换热器的运行时间，对竖埋套管换热器而言，换热模型是以埋管为中心的圆柱面辐射状向外传热，且这种传热是以时间为坐标的不稳定传热。影响单根竖管的换热距离一般为3-5m。短时间和间歇运行的换热管间距在3m较合适，长时间连续运行的间距在5m较合适。
2）、土壤热物性试验结果表明：土沙混合比为1：2的混合物的导热系数zui大，为寻求zui佳的回填材料提供了基础数据；地源热泵地埋换热器的取热过程的主要热阻是土壤，取热管的材料种类对取热量大小影响不大。
四、设计依据
1.甲方空调使用功能及使用要求；
2.甲方原末端系统设计冷热负荷要求；
3.美国汇中地源热泵冷热源系统技术参数及相关配置；
4《北京市室外气象参数》（1998版）；
5. 采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）；
6.《通风与空调工程施工及验收规范》（GB50243-2002）；
7.《公共建筑节能设计标准》（DBJ 01-621-2005）；
8. 其它相关国家规范规定。
五、气象条件及设计参数
1、室外设计计算参数：
室外设计计算参数见表7-1：

后记:北京观塘别墅C户型建筑面积为460平米,采用汇中SSR-400/T地源空调机组一台，室内夏季采用汇中风机盘管，冬季采用地板采暖，室外部分采用双UPE管100m深8眼孔，现运行良好，用户较为满意。

转载：中国地源热泵网