关中地区地源热泵系统应用及节能分析

李晓琳，茹秋瑾，冯建栋，田 佳

(杨凌职业技术学院 水利工程分院， 陕西 杨凌 712100)

1 引言

人类的生存离不开能源，随着经济的发展，人们对能源的消耗越来越大，若不采用积极措施，将会导致能源的枯竭和环境问题[1，2]。地源热泵技术就是专门用来开发地热能源的一种专门技术，这种用能方式，只消耗少量电能，就能实现将地热能转化为建筑用能[1]。采用太阳能、地热资源等一系列可再生能源代替传统石化能源已经成为暖通空调领域研究的方向之一[3]。为改变陕西省能源结构的不利情况，陕西省近些年不断积极探索，推进清洁能源的利用，比如太阳能、地热能等。

陕西关中地区地处秦岭北麓，黄土高原南部，两侧高，中间低。属大陆性半湿润半干旱气候，冬冷夏热，冬季需要供暖，夏季需要供冷，且能源消耗大多数以石化能源为主，尤其是冬季供暖期能源消耗大，受地理条件和气候的双重影响，冬季不利于污染物的排放[4]。关中地区多年受雾霾影响严重，尤其是西安市多年空气质量在全国省会城市中排名靠后。

2 地源热泵系统应用实例

2.1 工程实例

陕西关中地区某公租房项目，占地3.366 hm2，总建筑面积127878.22 m2，其中住宅总建筑面积113305.31 m2。小区自凿水源井，为小区提供冷热源，自建水源热泵机房，为小区提供40～45 ℃热水。

工程范围为水源热泵机房，室外管网(包括供冷供热管网和水源管网)、水源井、室内管网(包括室内供冷供热管网和风机盘管)。工程范围不包括机房土建和高压供电部分，机房所需面积约480 m2。

小区自凿水源井，为小区提供冷热源，自建水源热泵机房，为小区提供40～45 ℃热水。

2.2 设计依据

《采暖通风与空气调节设计规范》GB5019-2003；《住宅设计规范》GB50096-1999(2003年版)；《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010；《供热计量技术规程》JGJ173-2009；《城市热力网设计规范》CJJ34-2010；甲方提供图纸等其它资料。

2.3 供热冷负荷计算

小区热负荷估算：

Q=q×A=113305.31 m2×40 W/m2

=4532.21 kW

(1)

式(1)中，Q为小区总热负荷，kW；q为单位面积暖执标，W/m2(采暖热指标q取40 W/m2)；A为供冷面积，m2。

小区冷负荷估算：

Q=q×A×K=113305.31 m2×60 W/m2×0.60

=4078.99 kW

(2)

式(2)中，Q为小区总热负荷，kW；q为单位面积冷执标，W/m2(供冷指标q取60 w/m2)；K为不同时使用系数(根据本地夏季供冷情况，不同时使用系数取0.6)。

2.4 系统形式

2.4.1 室外

采用支状管网。水源侧水经水源井水泵抽起、通过水源管网、旋流除沙器后到达机房水源侧集管，进入水源热泵主机，回水经机房水源侧集管、水源井管网回水源井，小区层高在50 m左右，采用机房直供，中间不增加换热设备。

2.4.2 室内

室内采用风机盘管系统。

2.5 水量计算

2.5.1 水源侧水流量

夏季：

Q=0.86×Q×(1+1/COP)/△t=0.86×4078.99×(1+1/5)/11 ℃=398.63 m3/h

(3)

式(3)中，G为质量流量，单位为kg/h；Q为负荷，单位为W；△t为源水侧供回水温差；COP为机组制冷能效比。

冬季：

Q=0.86×Q×(1-1/COP)/△t=0.86×4532.21×(1-1/4)/6 ℃=487.21 m3/h

(4)

式(4)中，COP为机组制热能效比。

注：估算阶段系统COP制冷取 5.0、制热取4.0，夏季水源井出水温度按18 ℃考虑, 冬季水源井出水温度按15 ℃考虑。

2.5.2 水源井数量

每口井稳定出水量按100 m3/h，稳定回灌量按50 m3/h考虑，则需抽水井5口，回灌井10口，增加1口备用，共需水源井16口。每口井均设置潜水泵，以备交替使用。

2.5.3 负荷侧水流量

夏季：

G=0.86×Q/△t=0.86×4078.99/5 ℃

=701.59 m3/h

(5)

式(5)中，△t为末端系统供回水温差。

冬季：

Q=0.86×Q/Δt=0.86×4532.21/5 ℃

=779.54 m3/h

(6)

2.5.4 机房设备选型

本工程夏季冷负荷4078.99 kW、冬季负荷4532.21 kW，本方案共设1座机房，机房选用2台水源热泵机组，单台供冷量2150 kW，单台供热量2323 kW。系统主要配置如下：

热泵主机： MWH690CC，2台(制冷量2150 kW，制冷输入功率433 kW，制热2323 kW，制热输入功率513 kW)。

负荷侧水泵：流量430 m3/h、扬程40 m，3台(2用1备)。

补水定压装置：补水量：113305.31 m3×0.9 L/m2×0.01=1.02 m3/h； 补水泵: 6 m3/h ，44 m(两台，一用一备)；低位膨胀水箱：有效容积500 L；软化水箱：有效容积4 m3；软水器：全自动软水器。集分水器一套；成组低压配电装置一套。

3 节能与环境影响

3.1 节能

本项目利用地下水蕴含的可再生物质，采用先进的工艺设备并采用了节能型设备组件，以优化资源配置，提高经济效益为宗旨，选择技术先进与节能的工艺及设备，为公租房项目的居民提供优质的生活条件，使项目增值。

项目全部建成后，为公租房项目11.33万m2的建筑物集中供热供冷，供热负荷4532.21 kW，供冷负荷4078.99 kW。建成后，该系统与燃煤集中供热+分体空调制冷的系统相比，经过计算对比[2]。每年节省标准煤1166 t，减少CO2排放3102 t，减少SO2排放34.2 t。

3.2 环境影响评价

本项目场址四邻环境良好，无水体、大气、土壤污染。

本项目排放标准执行环境空气质量执行《环境空气质量标准》(GB3095—1996)中的二级标准；环境噪声执行《城市区域环境噪声标准》(GB3096—93)中的2类标准；《工业企业厂界噪声标准》(GB12348—90)中的Ⅱ类标准；固废排放按《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中的相关规定执行；《建筑施工场界噪声限制》(GB12523—90)中各阶段作业噪声限制；固体废弃物(办公与生活垃圾)，由小区统一处理。生活废水排到小区污水管网经化粪池生化处理后排入城市排水管网排放。

本项目在施工过程中将会产生一定的扬尘、噪声、施工人员的生活污水及垃圾，对周围环境会造成一定的影响。应采取相应防治措施，如撒水、挡盖、运走、规定运输时间和路线、选用低噪声设备等方法，以减轻施工期间对周围环境的影响。

本项目施工结束后，受影响的环境要素基本可以恢复到现状水平，运营期不会对环境产生污染。

4 结语

以陕西关中地区某公租房项目为实例，进行地源热泵供暖制冷系统设计。该项目建成后，为公租房项目11.33万m2的建筑物提供供热制冷，供热负荷4532.21 kW，供冷负荷4078.99 kW。建成后，利用该系统与燃煤集中供热+分体空调制冷的系统进行节能对比，每年节省标准煤1166 t，减少CO2排放3102 t，减少SO2排放34.2 t。节能效果显著，减少了污染物的排放，为绿色环保建筑的进一步推广有借鉴意义。 该项目建设过程中，对周边环境有一定的影响，单影响不大，建成后，受影响的环境要素便可恢复。