地源熱泵系統(tǒng)在山西某住宅項目中的應(yīng)用研究

孫朝陽 宋晉豫

地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù),它高效、節(jié)能、環(huán)保,有利于可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵技術(shù)利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性,通過消耗電能,在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方,在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)到降溫或制冷的目的[1]。地源熱泵系統(tǒng)可分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)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(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。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(diào)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(yīng)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(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 地下水地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

地下水地源熱泵是以水為熱源,進(jìn)行制冷/制熱循環(huán)的一種熱泵型空調(diào)系統(tǒng),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(jī)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(tǒng)又稱為蓄能型水源熱泵系統(tǒng)。

2 地下水地源熱泵系統(tǒng)的特點

1)高效節(jié)能,保護(hù)環(huán)境。2)一機(jī)多用,初投資小。3)運行穩(wěn)定。

3 工程實例

3.1 項目概況

該住宅小區(qū)項目位于山西永濟(jì)市區(qū),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(jié)構(gòu)。本工程(一期工程)夏季冷負(fù)荷 11 330 kW,冬季熱負(fù)荷10 197 kW,空調(diào)系統(tǒng)為地源熱泵中央空調(diào),主機(jī)美國開利螺桿式水—水熱泵機(jī)組30HXC 350A-HP1機(jī)組,空調(diào)末端采用美國開利42CE系列風(fēng)機(jī)盤管。

3.2 空調(diào)設(shè)計參數(shù)選擇

夏季空調(diào)室外計算溫度:35.2℃,冬季空調(diào)室外計算溫度:-7℃;井水夏季出水溫度16℃,到達(dá)機(jī)房的溫度按17℃計算,井水冬季出水溫度16℃,到達(dá)機(jī)房的溫度15.5℃;夏季室內(nèi)設(shè)計計算溫度:(26±2)℃,冬季室內(nèi)設(shè)計計算溫度:(18±2)℃。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)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(qū)域水資源的了解和勘察,該地區(qū)具有以下五類可以利用的水資源:1)該地區(qū)距離黃河較近,且黃河水已被引入市區(qū),其管道設(shè)施經(jīng)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(jī)廠及其小區(qū)供水的二級泵站的地下蓄水池;4)從項目所在地經(jīng)過的永濟(jì)市區(qū)生活污水管網(wǎng);5)地下井水。

經(jīng)過對以上各類水資源進(jìn)行分析比較,我們認(rèn)為:黃河水輸水管道無論從水量、水溫、水質(zhì)、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(yīng)當(dāng)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(bǔ)充、調(diào)節(jié)保障措施。

3.4 機(jī)房系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 冷熱負(fù)荷計算

針對該小區(qū),設(shè)計夏季室內(nèi)溫度為(26±2)℃,冬季室內(nèi)溫度為(18±2)℃。根據(jù)住宅空調(diào)使用特點我們進(jìn)行負(fù)荷計算,該小區(qū)做有建筑節(jié)能外墻保溫和雙玻璃節(jié)能措施,按經(jīng)常同時使用房間最大負(fù)荷配置冷(熱)源,統(tǒng)計規(guī)律表明,客廳+餐廳+負(fù)荷最大的臥室為最大負(fù)荷,冷指標(biāo)為45 W/m2～55 W/m2,熱指標(biāo)為45 W/m2,由于本小區(qū)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(qū)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(wǎng)都存在冷熱量的損耗,取輸送損失3%的修正系數(shù),則修正后的冷熱負(fù)荷為:總制冷量為11 330 kW,總制熱量為10 197 kW。

3.4.2 主機(jī)及機(jī)房

1)水源熱泵主機(jī)的選擇。根據(jù)以上冷熱負(fù)荷計算,主機(jī)選擇30HXC 350A-HP1螺桿式水—水熱泵機(jī)組 9臺,總制冷量為11 664 kW,總制熱量為12 492 kW。由于該小區(qū)比較龐大,可分為3個區(qū)域來控制,即3臺主機(jī)為一個機(jī)房,即每個機(jī)房配置3臺主機(jī),該系統(tǒng)制冷量為3 888 kW,制熱量為4 164 kW。此機(jī)型每臺機(jī)組有兩條單獨的回路,4臺壓縮機(jī),共有6條單獨回路,12臺壓縮機(jī),每臺壓縮機(jī)分3級調(diào)節(jié),最小調(diào)節(jié)冷熱量可達(dá)3.1%,部分負(fù)荷非常節(jié)能,同時,又具有互為備用性。2)機(jī)房系統(tǒng)。a.機(jī)房系統(tǒng)的設(shè)計。永濟(jì)電廠小區(qū)樓群集中,有公共綠地,設(shè)計機(jī)房置于公共綠地地下,每個機(jī)房占地面積為180 m2,高度約為3.5 m～3.8 m。機(jī)房內(nèi)的設(shè)備有:水源熱泵主機(jī)3臺,型號為30HXC 350A-HP1;用戶側(cè)循環(huán)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(jī)房系統(tǒng)設(shè)計的特點體現(xiàn)為節(jié)能性和自動化控制。水源熱泵主機(jī)具有能效比高的特點,它的能效比高達(dá)1∶6.4,在同行業(yè)中為最高,一般都在 1∶5.8～1∶6之間。

整個小區(qū)共分為3個區(qū)域,配置3個機(jī)房:每個機(jī)房選用3臺主機(jī),每臺主機(jī)有2條獨立的工作回路,4臺壓縮機(jī)。3臺主機(jī)共有6條回路,12臺壓縮機(jī),任何一條回路發(fā)生故障,不會影響其他回路正常工作。12臺壓縮機(jī),可達(dá)到36級能量調(diào)節(jié),最低調(diào)節(jié)范圍可達(dá)3.1%,調(diào)節(jié)柔和,部分負(fù)荷非常節(jié)能。

機(jī)房系統(tǒng)的自動化控制:用戶側(cè)循環(huán)水泵和冷卻泵根據(jù)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(fù)荷更為節(jié)能。整個小區(qū)總功率為:夏季:主機(jī)202×9+45×9=2 223 kW。冬季:主機(jī) 320×9+45×9=3 285 kW。

3.5 空調(diào)末端的選擇

末端選擇42CE系列風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組。42CE系列風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組具有超薄機(jī)身、超高效率、超低噪聲、使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,尤其是機(jī)組高度僅為220 mm,節(jié)省安裝空間,提升裝修標(biāo)高。

4 結(jié)語

1)該項目屬于可再生能源利用,環(huán)保、節(jié)能。因為地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400 m深)作為冷熱源,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。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(jù)美國環(huán)保署EPA估計,設(shè)計安裝良好的地源熱泵,平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用[3]。2)該項目系統(tǒng)維護(hù)費用低。在同等條件下,采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護(hù)費用。地源熱泵非常耐用,它的機(jī)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(nèi),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(hù)空調(diào),節(jié)省了維護(hù)費用,使用戶的投資在3年左右即可收回。3)鑒于機(jī)組長期運行費用的節(jié)省和國家對節(jié)能減排工作的重視,本項目運用地源熱泵系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)。

[1]將照能,劉道平.水源、地源、水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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

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

[4]王 勇.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2001(5):12-13.

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