別墅型建筑地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝應(yīng)明　王樹豪

摘 要： 地源熱泵是一種利用土壤所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，通過輸入少量的高品位能源（如電力、機(jī)械功、燃?xì)夂鸵后w燃料），實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移.以上海某小型別墅為對象，設(shè)計(jì)了一套家用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng).首先計(jì)算了夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷，然后根據(jù)冷、熱負(fù)荷選擇一套水源熱泵機(jī)組（MWH080CR型機(jī)組）和相應(yīng)的風(fēng)機(jī)盤管，進(jìn)行了室內(nèi)水管環(huán)路系統(tǒng)、土壤熱交換器和地板采暖的設(shè)計(jì)選型，最后對系統(tǒng)的能效比進(jìn)行了計(jì)算.結(jié)果表明，該空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定可靠、舒適耐用等優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞： 地源熱泵系統(tǒng)； 地埋管換熱器； 地板采暖； 風(fēng)機(jī)盤管

中圖分類號： TQ 051.5；TU 243 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of ground source heat pump air conditioning system in a villa

XIE Yingming，WANG Shuhao

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Ground source heat pump uses the solar energy stored in soil as a heat source for heating and refrigeration.This air conditioning system was operated through the import of a small number of highgrade energy （such as electricity，mechanical power，and gas or liquid fuels） to transfer this heat from low temperature heat source to high temperature heat source.The design of a ground source heat pump system for a small villa in Shanghai was described in this paper.Firstly，the cooling load and the heating load of the villa were calculated.Secondly，a watersource heat pump （Integrated horizontal MWH008CR，McQuay Air Condition Ltd model） and its corresponding fancoil units were chosen.Thirdly，the indoor waterpipe loop system，ground source heat exchanger，and floor heating system were designed and their corresponding water pumps were selected.At last，energy efficiency of this system was calculated.It could be concluded that this ground source system has the merits of energy saving，environmental protection，high reliability，comfortability，and durability.

Keywords： ground source heat pump； ground heat exchanger； floor heating system； fancoil unit

地源熱泵是一種利用淺層土壤或含水層實(shí)現(xiàn)供熱和空調(diào)制冷的高效節(jié)能設(shè)備[1].通過輸入少量的高品位能源（如電力、機(jī)械功、燃?xì)夂鸵后w燃料），實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移.已有研究[2]表明：5 m以下的地下土壤溫度基本不隨外界環(huán)境及季節(jié)的變化而改變，相當(dāng)于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀赐寥谰哂休^好的蓄能特性.因此，土壤是一種理想的冷/熱源.地源熱泵作為一種節(jié)能環(huán)保型空調(diào)裝置，已被各國政府確立為值得大力推廣應(yīng)用的新型空調(diào)技術(shù)[3].

上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，最熱月平均氣溫達(dá)30.2℃，最冷月平均氣溫為4.2℃，其氣候條件適合推廣地源熱泵.上海地區(qū)的淺層土是以黏土、亞黏土及粉砂為主的軟土，屬第四紀(jì)積層，且土壤潮濕，地下水位高，是埋管系統(tǒng)較合適的土壤類型.另外，別墅建筑一般帶有花園，具備供地源熱泵系統(tǒng)布管的土壤面積，因此在上海地區(qū)別墅建筑中采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是完全可行的.

1 設(shè)計(jì)方案的確定

該別墅位于上海浦東新區(qū)，總建筑面積為220 m2.該別墅分為車庫、廚房、大廳、臥室、衛(wèi)生間等若干區(qū)域，其中，空調(diào)房間面積為154.85 m2，地上三層，地下室作為機(jī)房，每層層高均為3 m，周圍有足夠面積的空地供地源熱泵系統(tǒng)布管.

經(jīng)現(xiàn)場對深層土壤導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，該別墅所在地土壤導(dǎo)熱性能良好，適合作為熱泵系統(tǒng)的冷/熱源.綜合考慮節(jié)能環(huán)保要求以及現(xiàn)場具體情況和業(yè)主要求，該別墅采用家用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng).

2 負(fù)荷計(jì)算及送風(fēng)量確定[4 5]

夏季房間的冷負(fù)荷包括建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)熱量（太陽輻射進(jìn)入的熱量和室內(nèi)外空氣溫差經(jīng)維護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量）形成的冷負(fù)荷、人體散熱形成的冷負(fù)荷、燈光照明散熱形成的冷負(fù)荷、其它設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷以及新風(fēng)帶入的冷負(fù)荷.經(jīng)計(jì)算，夏季別墅冷負(fù)荷及送風(fēng)量如表1所示.新風(fēng)帶入的冷負(fù)荷QW=5 632 W，因此，別墅夏季總冷負(fù)荷Q為房間的冷負(fù)荷Qa和QW之和，即Q=Qa+QW=27.6 kW.總送風(fēng)量為2 705 m3·h-1.

3 土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括熱泵機(jī)組的選擇、地埋管換熱器的設(shè)計(jì)、室內(nèi)水管環(huán)路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及地板采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì).土壤源熱泵系統(tǒng)如圖1所示.

3.1 熱泵機(jī)組的選擇

由于各個(gè)房間使用功能、使用時(shí)間均不同，住宅空調(diào)的同時(shí)使用系數(shù)較低，一般在0.5～0.8之間.考慮到別墅住宅的舒適性和同時(shí)使用率較高的特殊情況，使用系數(shù)取為0.8.因此Q=27.6×0.8=22.1 kW.根據(jù)冷負(fù)荷確定選用MWH系列整體式水源熱泵的MWH080CR型機(jī)組，其機(jī)組性能參數(shù)如表2所示.

3.2 地埋管換熱器的設(shè)計(jì)及泵的選型

為保證各環(huán)路之間水力平衡，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和防腐性，本文采用單個(gè)U形管[6]并聯(lián)的同程式系統(tǒng)，管材選用高密度聚乙烯（PE）管.考

圖1 土壤源熱泵系統(tǒng)

Fig.1 Ground source heat pump system

式中：W為機(jī)組水流量，L·s-1，該機(jī)組為1.47 L·s-1；di為豎埋管內(nèi)徑，mm，豎埋管選用De25管子；v為豎埋管管內(nèi)流速，m·s-1，此處取v=0.65 m·s-1[8].

經(jīng)計(jì)算，n=6.93，取整為7.

對豎直單U形管，孔深l可根據(jù)式（5）確定，即

l=L2n=43.7 m

（5）

綜合考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、鉆孔的難易程度、施工費(fèi)用以及可用于布置地埋管換熱器的場地面積，將孔深確定為45 m，鉆孔直徑為80 mm，鉆孔內(nèi)U形管換熱器底部距井底1.0 m，U形管換熱器長度44 m.土壤熱交換器平面布置如圖2所示，各環(huán)路管徑圖中己說明，標(biāo)號1～7為鉆孔位置.

水泵揚(yáng)程Ph包括最不利環(huán)路上管路壓力損失、熱泵機(jī)組的壓力損失、環(huán)路上平衡閥和其它設(shè)備元件的壓力損失[7]，即

Ph=k1（hf+hd+hm）

（6）

式中：k1為附加系數(shù)，單臺(tái)水泵工作時(shí)k1=1.1；hf為總沿程阻力，Pa；hd為總局部阻力，Pa；hm為設(shè)備壓力損失，Pa.

圖2 土壤熱交換器平面布置

Fig.2 Layout of soil heat exchanger

經(jīng)計(jì)算，hf=47 001 Pa，hd=6 608.2 Pa，hm=16 kPa，Ph=75 068 Pa.因此，選用單級單吸臥式離心泵ISW32

125.

3.3 室內(nèi)水管與風(fēng)機(jī)盤管的設(shè)計(jì)

3.3.1 室內(nèi)水管環(huán)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9]

（1） 送風(fēng)口的位置及回風(fēng)布置

該別墅的獨(dú)立區(qū)域有臥室、起居室、大廳、廚房、衛(wèi)生間等共計(jì)10處.考慮到各個(gè)區(qū)域的實(shí)際空調(diào)效果要求及可能的獨(dú)立制冷需要：大廳和起居室面積大，分別設(shè)置兩個(gè)送風(fēng)口，采用頂送風(fēng)上回風(fēng)；衛(wèi)生間出于簡潔和經(jīng)濟(jì)性考慮不單獨(dú)設(shè)置送風(fēng)口，這也可防止其產(chǎn)生的異味通過回風(fēng)管通至其它房間，造成二次污染；樓道、車庫及三樓過道不送風(fēng)；廚房送風(fēng)但不回風(fēng)；除客廳外，其余送風(fēng)房間的送風(fēng)口均設(shè)置在進(jìn)門口，采用側(cè)送風(fēng)側(cè)回風(fēng)的送風(fēng)方式.

（2） 水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括管材的選用、水管管徑的確定和水管阻力的計(jì)算.本文選用鍍鋅鋼管，然后根據(jù)合理的管內(nèi)流速，確定最佳管徑.計(jì)算得最到不利管路阻力為28 910 Pa，最大流量為4.27 m3·h-1.因此，選用單級單吸臥式離心泵ISW32

125.

3.3.2 室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的選型

根據(jù)各個(gè)房間的制冷量及送風(fēng)量要求，選擇風(fēng)機(jī)盤管機(jī)型，其中：一樓大廳選擇卡式嵌入型風(fēng)機(jī)盤管MCKW800A和臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管MCW300C；二樓活動(dòng)室選擇立式暗裝風(fēng)機(jī)盤管MFCW300A；二樓廚房、餐廳，以及三樓主次臥均選擇臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管MCW200C；三樓起居室選擇立式暗裝風(fēng)機(jī)盤管MFCW200A.

3.4 地板采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地板輻射供暖是一種利用建筑物內(nèi)部的地面進(jìn)行供暖的系統(tǒng)，是一種新型的環(huán)保采暖方式.典型的埋管式地板輻射供暖結(jié)構(gòu)如圖3所示[10].

3.4.2 泵的選型

流量

G=KQΔt·c

（7）

式中：Δt為設(shè)計(jì)供水和回水溫差，取為10℃；c為水的比熱，c=4.2×103 J·kg-1·℃-1；K為儲(chǔ)備系數(shù)，取為1.3.

經(jīng)計(jì)算流量G=2.38 m3·h-1.因此選用單級單吸臥式離心泵ISW20

110.

3.5 系統(tǒng)能效比計(jì)算

該系統(tǒng)能效比為熱泵機(jī)組的制冷量或制熱量與所有耗電設(shè)備的功率之比，其中：泵所消耗的功率P=1 670 W；熱泵機(jī)組的制冷、制熱功率分別為Pa、Pb，取值如表2所示.

夏季能效比

β1=Q0Pa+Pc

（8）

冬季能效比

β2=QkPb+Pc

（9）

式中，Pc為水泵功率.

經(jīng)計(jì)算，β1=3.08，β2=3.49.

4 結(jié) 語

本文以上海某別墅為對象，根據(jù)工程建筑負(fù)荷特點(diǎn)和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料設(shè)計(jì)了一套家用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng).經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)夏季和冬季的能效比分別為3.08和3.49，達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的效果.此外，該系統(tǒng)還具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、舒適程度高、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn).

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