地源热泵系统在山西某住宅项目中的应用研究

孙朝阳 宋晋豫

地源热泵是一种先进的技术,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,通过消耗电能,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余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的[1]。地源热泵系统可分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统三种形式。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。同时,它还可供应生活用水,是一种有效利用能源的方式。本文就以山西某住宅项目为例,阐述了地下水地源热泵中央空调系统的应用。

1 地下水地源热泵系统的工作原理

地下水地源热泵是以水为热源,进行制冷/制热循环的一种热泵型空调系统,在制热时以水为热源,而在制冷时以水为排热源(见图1)。夏季,水源热泵机组从可利用水源中吸取冷量,为用户端供冷,取冷后水回到水中,同时使水温升高。冬季从可利用水源中提取热量后,为用户端供暖,取热后的水回到水中,同时使水温降低。此系统又称为蓄能型水源热泵系统。

2 地下水地源热泵系统的特点

1)高效节能,保护环境。2)一机多用,初投资小。3)运行稳定。

3 工程实例

3.1 项目概况

该住宅小区项目位于山西永济市区,总建筑面积235 000 m2,一期工程占地75 000 m2,共18幢住宅楼,为砖混结构。本工程(一期工程)夏季冷负荷 11 330 kW,冬季热负荷10 197 kW,空调系统为地源热泵中央空调,主机美国开利螺杆式水—水热泵机组30HXC 350A-HP1机组,空调末端采用美国开利42CE系列风机盘管。

3.2 空调设计参数选择

夏季空调室外计算温度:35.2℃,冬季空调室外计算温度:-7℃;井水夏季出水温度16℃,到达机房的温度按17℃计算,井水冬季出水温度16℃,到达机房的温度15.5℃;夏季室内设计计算温度:(26±2)℃,冬季室内设计计算温度:(18±2)℃。

3.3 空调系统冷热源的选择

针对本项目的工程特点及其工程所在地周边区域水资源的了解和勘察,该地区具有以下五类可以利用的水资源:1)该地区距离黄河较近,且黄河水已被引入市区,其管道设施经过本项目所在地;2)该项目所临近的柳园公园的污水处理站的污水;3)为电机厂及其小区供水的二级泵站的地下蓄水池;4)从项目所在地经过的永济市区生活污水管网;5)地下井水。

经过对以上各类水资源进行分析比较,我们认为:黄河水输水管道无论从水量、水温、水质、提水所消耗的代价以及水源长期保障性都基本符合该项目的水源需求,应当为该项目水源的首选方案,其余几项可作为长期运行过程中对水量、水温等的补充、调节保障措施。

3.4 机房系统设计

3.4.1 冷热负荷计算

针对该小区,设计夏季室内温度为(26±2)℃,冬季室内温度为(18±2)℃。根据住宅空调使用特点我们进行负荷计算,该小区做有建筑节能外墙保温和双玻璃节能措施,按经常同时使用房间最大负荷配置冷(热)源,统计规律表明,客厅+餐厅+负荷最大的卧室为最大负荷,冷指标为45 W/m2～55 W/m2,热指标为45 W/m2,由于本小区比较庞大,存在大量的交替使用率,故本方案制冷按50 W/m2计算,制热按45 W/m2,本小区总建筑面积约为220 000 m2,即所需总制冷量为11 000 kW,总制热量为9 900 kW。能量在输送过程中,水泵、管网都存在冷热量的损耗,取输送损失3%的修正系数,则修正后的冷热负荷为:总制冷量为11 330 kW,总制热量为10 197 kW。

3.4.2 主机及机房

1)水源热泵主机的选择。根据以上冷热负荷计算,主机选择30HXC 350A-HP1螺杆式水—水热泵机组 9台,总制冷量为11 664 kW,总制热量为12 492 kW。由于该小区比较庞大,可分为3个区域来控制,即3台主机为一个机房,即每个机房配置3台主机,该系统制冷量为3 888 kW,制热量为4 164 kW。此机型每台机组有两条单独的回路,4台压缩机,共有6条单独回路,12台压缩机,每台压缩机分3级调节,最小调节冷热量可达3.1%,部分负荷非常节能,同时,又具有互为备用性。2)机房系统。a.机房系统的设计。永济电厂小区楼群集中,有公共绿地,设计机房置于公共绿地地下,每个机房占地面积为180 m2,高度约为3.5 m～3.8 m。机房内的设备有:水源热泵主机3台,型号为30HXC 350A-HP1;用户侧循环水泵4台,三用一备,电子水处理仪2台,每台处理水量150 t/h。b.机房系统设计的特点体现为节能性和自动化控制。水源热泵主机具有能效比高的特点,它的能效比高达1∶6.4,在同行业中为最高,一般都在 1∶5.8～1∶6之间。

整个小区共分为3个区域,配置3个机房:每个机房选用3台主机,每台主机有2条独立的工作回路,4台压缩机。3台主机共有6条回路,12台压缩机,任何一条回路发生故障,不会影响其他回路正常工作。12台压缩机,可达到36级能量调节,最低调节范围可达3.1%,调节柔和,部分负荷非常节能。

机房系统的自动化控制:用户侧循环水泵和冷却泵根据末端用户需求量的多少自动开启1台、2台或3台水泵。自动化控制,部分负荷更为节能。整个小区总功率为:夏季:主机202×9+45×9=2 223 kW。冬季:主机 320×9+45×9=3 285 kW。

3.5 空调末端的选择

末端选择42CE系列风机盘管机组。42CE系列风机盘管机组具有超薄机身、超高效率、超低噪声、使用方便、结构紧凑等特点,尤其是机组高度仅为220 mm,节省安装空间,提升装修标高。

4 结语

1)该项目属于可再生能源利用,环保、节能。因为地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400 m深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多[2]。它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。而且据美国环保署EPA估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用[3]。2)该项目系统维护费用低。在同等条件下,采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用,它的机械运动部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安装在室内,从而避免了室外的恶劣气候,其地下部分可保证50年,地上部分可保证30年[4],因此地源热泵是免维护空调,节省了维护费用,使用户的投资在3年左右即可收回。3)鉴于机组长期运行费用的节省和国家对节能减排工作的重视,本项目运用地源热泵系统最为经济。

[1]将照能,刘道平.水源、地源、水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]李中领,金 宁,孙 鹏,等.地源热泵应用于户式中央空调的发展前景[J].建筑热能通风空调,2004(2):51-53.

[3]周亚素,张 旭,陈沛霖.土壤源热泵机组冬季供热性能的数值模拟与实验研究[J].东北大学学报(自然科学版),2002,28(1):5-9.

[4]王 勇.地源热泵的技术经济分析[J].建筑热能通风空调,2001(5):12-13.

[5]杨艳红,倪国葳,马 卉.地源热泵技术与建筑节能[J].山西建筑,2009,35(11):175-176.