地源熱泵系統在山西某住宅項目中的應用研究

孫朝陽 宋晉豫

地源熱泵是一種先進的技術,它高效、節能、環保,有利于可持續發展。地源熱泵技術利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩定的特性,通過消耗電能,在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方,在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中,達到降溫或制冷的目的[1]。地源熱泵系統可分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統三種形式。地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式和中央空調系統。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時,它還可供應生活用水,是一種有效利用能源的方式。本文就以山西某住宅項目為例,闡述了地下水地源熱泵中央空調系統的應用。

1 地下水地源熱泵系統的工作原理

地下水地源熱泵是以水為熱源,進行制冷/制熱循環的一種熱泵型空調系統,在制熱時以水為熱源,而在制冷時以水為排熱源(見圖1)。夏季,水源熱泵機組從可利用水源中吸取冷量,為用戶端供冷,取冷后水回到水中,同時使水溫升高。冬季從可利用水源中提取熱量后,為用戶端供暖,取熱后的水回到水中,同時使水溫降低。此系統又稱為蓄能型水源熱泵系統。

2 地下水地源熱泵系統的特點

1)高效節能,保護環境。2)一機多用,初投資小。3)運行穩定。

3 工程實例

3.1 項目概況

該住宅小區項目位于山西永濟市區,總建筑面積235 000 m2,一期工程占地75 000 m2,共18幢住宅樓,為磚混結構。本工程(一期工程)夏季冷負荷 11 330 kW,冬季熱負荷10 197 kW,空調系統為地源熱泵中央空調,主機美國開利螺桿式水—水熱泵機組30HXC 350A-HP1機組,空調末端采用美國開利42CE系列風機盤管。

3.2 空調設計參數選擇

夏季空調室外計算溫度:35.2℃,冬季空調室外計算溫度:-7℃;井水夏季出水溫度16℃,到達機房的溫度按17℃計算,井水冬季出水溫度16℃,到達機房的溫度15.5℃;夏季室內設計計算溫度:(26±2)℃,冬季室內設計計算溫度:(18±2)℃。

3.3 空調系統冷熱源的選擇

針對本項目的工程特點及其工程所在地周邊區域水資源的了解和勘察,該地區具有以下五類可以利用的水資源:1)該地區距離黃河較近,且黃河水已被引入市區,其管道設施經過本項目所在地;2)該項目所臨近的柳園公園的污水處理站的污水;3)為電機廠及其小區供水的二級泵站的地下蓄水池;4)從項目所在地經過的永濟市區生活污水管網;5)地下井水。

經過對以上各類水資源進行分析比較,我們認為:黃河水輸水管道無論從水量、水溫、水質、提水所消耗的代價以及水源長期保障性都基本符合該項目的水源需求,應當為該項目水源的首選方案,其余幾項可作為長期運行過程中對水量、水溫等的補充、調節保障措施。

3.4 機房系統設計

3.4.1 冷熱負荷計算

針對該小區,設計夏季室內溫度為(26±2)℃,冬季室內溫度為(18±2)℃。根據住宅空調使用特點我們進行負荷計算,該小區做有建筑節能外墻保溫和雙玻璃節能措施,按經常同時使用房間最大負荷配置冷(熱)源,統計規律表明,客廳+餐廳+負荷最大的臥室為最大負荷,冷指標為45 W/m2～55 W/m2,熱指標為45 W/m2,由于本小區比較龐大,存在大量的交替使用率,故本方案制冷按50 W/m2計算,制熱按45 W/m2,本小區總建筑面積約為220 000 m2,即所需總制冷量為11 000 kW,總制熱量為9 900 kW。能量在輸送過程中,水泵、管網都存在冷熱量的損耗,取輸送損失3%的修正系數,則修正后的冷熱負荷為:總制冷量為11 330 kW,總制熱量為10 197 kW。

3.4.2 主機及機房

1)水源熱泵主機的選擇。根據以上冷熱負荷計算,主機選擇30HXC 350A-HP1螺桿式水—水熱泵機組 9臺,總制冷量為11 664 kW,總制熱量為12 492 kW。由于該小區比較龐大,可分為3個區域來控制,即3臺主機為一個機房,即每個機房配置3臺主機,該系統制冷量為3 888 kW,制熱量為4 164 kW。此機型每臺機組有兩條單獨的回路,4臺壓縮機,共有6條單獨回路,12臺壓縮機,每臺壓縮機分3級調節,最小調節冷熱量可達3.1%,部分負荷非常節能,同時,又具有互為備用性。2)機房系統。a.機房系統的設計。永濟電廠小區樓群集中,有公共綠地,設計機房置于公共綠地地下,每個機房占地面積為180 m2,高度約為3.5 m～3.8 m。機房內的設備有:水源熱泵主機3臺,型號為30HXC 350A-HP1;用戶側循環水泵4臺,三用一備,電子水處理儀2臺,每臺處理水量150 t/h。b.機房系統設計的特點體現為節能性和自動化控制。水源熱泵主機具有能效比高的特點,它的能效比高達1∶6.4,在同行業中為最高,一般都在 1∶5.8～1∶6之間。

整個小區共分為3個區域,配置3個機房:每個機房選用3臺主機,每臺主機有2條獨立的工作回路,4臺壓縮機。3臺主機共有6條回路,12臺壓縮機,任何一條回路發生故障,不會影響其他回路正常工作。12臺壓縮機,可達到36級能量調節,最低調節范圍可達3.1%,調節柔和,部分負荷非常節能。

機房系統的自動化控制:用戶側循環水泵和冷卻泵根據末端用戶需求量的多少自動開啟1臺、2臺或3臺水泵。自動化控制,部分負荷更為節能。整個小區總功率為:夏季:主機202×9+45×9=2 223 kW。冬季:主機 320×9+45×9=3 285 kW。

3.5 空調末端的選擇

末端選擇42CE系列風機盤管機組。42CE系列風機盤管機組具有超薄機身、超高效率、超低噪聲、使用方便、結構緊湊等特點,尤其是機組高度僅為220 mm,節省安裝空間,提升裝修標高。

4 結語

1)該項目屬于可再生能源利用,環保、節能。因為地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400 m深)作為冷熱源,進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多[2]。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。而且據美國環保署EPA估計,設計安裝良好的地源熱泵,平均來說可以節約用戶30%～40%的供熱制冷空調的運行費用[3]。2)該項目系統維護費用低。在同等條件下,采用地源熱泵系統的建筑物能夠減少維護費用。地源熱泵非常耐用,它的機械運動部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內,從而避免了室外的惡劣氣候,其地下部分可保證50年,地上部分可保證30年[4],因此地源熱泵是免維護空調,節省了維護費用,使用戶的投資在3年左右即可收回。3)鑒于機組長期運行費用的節省和國家對節能減排工作的重視,本項目運用地源熱泵系統最為經濟。

[1]將照能,劉道平.水源、地源、水環熱泵空調技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2]李中領,金 寧,孫 鵬,等.地源熱泵應用于戶式中央空調的發展前景[J].建筑熱能通風空調,2004(2):51-53.

[3]周亞素,張 旭,陳沛霖.土壤源熱泵機組冬季供熱性能的數值模擬與實驗研究[J].東北大學學報(自然科學版),2002,28(1):5-9.

[4]王 勇.地源熱泵的技術經濟分析[J].建筑熱能通風空調,2001(5):12-13.

[5]楊艷紅,倪國葳,馬 卉.地源熱泵技術與建筑節能[J].山西建筑,2009,35(11):175-176.