别墅600平米地源热泵采暖方案

新能源舒适系统 —— 别墅地源热泵空调系统 技 术 方 案 2012201220122012年年年年 6666月月月月 1 目目目目 录录录录 一、地源热泵系统工作原理........................................................................................2 二、地源热泵系统性能分析........................................................................................3 三、空调介绍........................................................................................................4 3.1、方案特点........................................................................................................4 3.2、项目概况........................................................................................................4 3.3、方案依据................................................................................................4 3.4、方案设计参数................................................................................................4 3.5、空调方式确定................................................................................................5 3.6、主机选型........................................................................................................6 3.7、地源部分...................................................................................................... 11 3.8、末端系统选型..............................................................................................13 3.9、生活热水方案（备选）..............................................................................14 四、热泵/空调系统初投资.........................................................................................14 4.1、空调主机设备报价......................................................................................14 4.2、主机机房安装工程报价..............................................................................14 4.3、室内空调系统部分报价..............................................................................15 4.4、 室外成孔部分报价....................................................................................15 4.5、合计总投资..................................................................................................15 2 一、地源热泵系统工作原理 1.1 热泵定义 按新国际制冷辞典的定义，热泵就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系 统。热泵和冷冻机在工作原理上是相同的，就是输入一定高品位能源（如电能） 驱动压缩机，使工质（R410a）在系统中循环运动并反复发生物理相变，在蒸发 器中气化吸热，在冷凝器中液化放热，从而实现吸热制冷或放热制热的目的。 1.2 热泵分类 热泵的分类有多种，可按工作原理、热源、功能、用途、驱动方式、压缩机 类型、供热温度和安装方式等将热泵分为不同种类。其中，按照热泵吸收热量的 出处来分类，则可将热泵分为水源热泵、空气源热泵和土壤源热泵。水源热泵和 土壤源热泵又统称地源热泵。 1.3 水源热泵系统简介 水源中央空调系统是由国内自主研发为主,从国外引进并结合中国国情研究 开发的一种高效、节能、节资、冷暖两用、运行灵活,无任何污染的新型中央空 调系统。它的工作原理是：利用深层地下水源，借助压缩机系统、消耗部分电能， 冬季把地下水源中的热量转换出来供给室内采暖；夏季，把地下水源中的冷量转 换出来供给室内制冷。被制冷和制热用过的地下水再回灌入地下水层中。它的核 心部分是：以电为动力的压缩机空调机组。 这一新型供热制冷方式，从九七年开始已在东北、山东、河北、山西、北京 等省市的工厂、企业、宾馆、机关等单位大规模推广使用，得到用户的好评和专 家们的高度评价。 1.4 地源热泵工作原理图 3 土壤源系统构成： 地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤相对稳定的特性，通过深埋于建 筑物周围管路系统，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向 高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。 二、地源热泵系统性能分析 2.1 环保性 A.使用地源热泵系统制冷无冷却塔“军团菌”、水雾的产生 B.使用地源热泵系统制热无燃油（气）锅炉污染物（CO2，SO2，NO2） C.使用地源热泵系统制热无燃煤锅炉污染物（粉尘 CO2，SO2，NO2） D.由于使用地源热泵系统 ，该系统的“冷热源” 从地下土壤中获取，因此不 会产生城市“热岛”现象 E.由于使用地源热泵系统无冷却塔因此无噪音污染 F.使用地源热泵系统由于驱动能力为电能因此无城市环境污染（清洁能源） 2.2 节能性 各类空调系统一次能源利用率比较 中央空调方案中央空调方案 （冷、热况）（冷、热况） 一次能源一次能源 利用率利用率 水源热泵系统水源热泵系统 节能效率节能效率 备 备 注注 冷水机组冷水机组++电热锅炉电热锅炉 0.990.99 25%25% 冷水机组冷水机组εε=5=5 电热锅炉电热锅炉E=0.33E=0.33 EE00=(0.33=(0.33××5+0.33)/25+0.33)/2 冷水机组冷水机组++各燃煤锅炉各燃煤锅炉 1.1251.125 1414 %% 冷水机组冷水机组εε=5.2=5.2 燃煤锅炉燃煤锅炉E=0.60E=0.60 EE00=(0.33=(0.33××5+0.6)/25+0.6)/2 冷水机组冷水机组++燃油（气）锅炉燃油（气）锅炉 1.2251.225 77 %% 冷水机组冷水机组εε=5=5 燃油（气）锅炉燃油（气）锅炉E=0.8E=0.8 EE00=(0.33=(0.33××+0.8)/2+0.8)/2 风冷热泵风冷热泵 0.990.99 2525 %% 风冷热泵 风冷热泵εε=3=3 EE00=0.33=0.33××33 蒸汽溴吸冷水机组蒸汽溴吸冷水机组++煤锅炉煤锅炉 0.570.57 5757 %% 蒸汽溴吸蒸汽溴吸εε=0.9=0.9 煤锅炉煤锅炉E=0.6E=0.6 EE00=(0.9=(0.9××0.6+0.6)/20.6+0.6)/2 蒸汽溴吸冷水机组蒸汽溴吸冷水机组++燃油燃油((气气)) 锅炉锅炉 0.76 0.76 4242 %% 蒸汽溴吸蒸汽溴吸εε=0.9=0.9 燃油燃油((气气))锅炉锅炉E=0.8E=0.8 EE00=(0.9=(0.9××0.8+0.8)/20.8+0.8)/2 直燃型溴吸冷热水机组直燃型溴吸冷热水机组 0.950.95 2828 %% 直燃型溴吸冷热水机 直燃型溴吸冷热水机组组 EE00=0.95=0.95 4 地源热泵冷热源系统地源热泵冷热源系统 1.321.32 ———— 地源中央空调系统 地源中央空调系统εε=4=4 E0=0.33E0=0.33××44 2.3 经济性 A、省地：省去独立供热系统的机房用地以及与之配套的场地，省去了楼顶放 置冷却塔的面积，只需将全套的水源中央空调系统设置在建筑物内的地下机 房内，节约了土地资源。 B、省水：以水为源体，吸收或向其释放热量，从而达到供暖或制冷的作用， 既不消耗水资源，也不会对其造成污染。 C、节省初投资：只需一套系统即可实现供冷和供热的，省去了以往需投资 两套系统的初投资费用。 三、空调方案介绍 3.1、方案特点 （1）在有合适地下水或打孔的情况下，地源热泵空调系统是目前公认的最理想 的空调方式。 （2）运行费用低。 3.2、项目概况 本项目位于北京市昌平区小汤山威尼斯花园,建筑面积约为 600㎡,需解决此 项目的风机盘管制冷、地板供暖。 3.3、方案设计依据 (1) 甲方提供的相关数据。 (2)《采暖通风与空气调节设计》（GBJ19-87） (3)《空气调节设计手册》（第二版） (4) 其它国家有关规定及规范。 3.4、方案设计参数 （1）室外设计参数 内容 季节 室外干球 温度（℃） 室外湿球 温度（℃） 室外相对 湿度（%） 室外风速 （m/s） 大气压 （hpa） 夏季 33.2 26.4 64 1.9 998.6 5 冬季 -12 —— 45 2.8 1020.4 （2）室内设计参数 季节 功能 夏季温度 冬季温度 温度（℃） 相对湿度（%） 温度（℃） 相对湿度（%） 大厅 25℃±2 —— 20℃±2 —— 客房 24℃±1 —— 22℃±2 —— 3.5、空调方式确定 根据项目的实际情况， 建议采用土壤源热泵方式， 具体运行流程图为： 压缩机做功 凝 冷 器 管 竖 直 埋 介质循环 地下换热 循环介质带走热量（5单位） 图1 夏季供冷原理图 带走房间热量 蒸工 环 作 循 质 介 发 器 供冷循环 （1单位） 盘 管 ( 4单位） 机 风 6 管 竖 埋 直 图2 冬季供热原理图 供至房间热量 器 发 蒸 压缩机做功 地下换热 介质循环 从土壤中提取热量（3单位） 冷工 环 质 循 作 介 器 凝 供热循环 （1单位） 管 盘 4单位）( 风 机 3.6、主机选型 创建于德国的威能集团是一家拥有 137年发展历史的跨国企业，其核心的 采暖科技使得公司成为欧洲最大的生产商之一。威能集团对于新兴可再生能源产 品与系统给予了非常的关注。在欧洲这一类产品的需求与日俱增。新能源产品包 括从空气或者地下取热的热泵和太阳能光热系统；另一个非常重要的产品是联合 供热系统：将可再生能源产品与不同的采暖设备联合起来为用户提供智能高效的 系统。威能集团作为世界领先的环保型采暖及空调生产商，持续发挥着举足轻重 的作用。家庭与整个世界的气候变化是密不可分的。现代采暖技术走到今天已经 在气候保护方面做出了卓越的贡献。仅在德国，使用高效技术取代老的采暖系统 每年就能节约超过 30%的能源，同时相应减少 30%的 CO2排放。 7 本项目别墅建筑面积为 600m2, 夏季冷负荷 以 85w/m2,冬季热负荷以 70w/m2计算。这样总冷 负荷为 51KW，总热负荷为 42KW。 选用德国威能 VWWCN483/1进口型地源热 泵机组 1台，地源热泵工况时，制冷量为 47.5KW， 总制热量为 48.3KW。由于卫生间，地下设备间等 对制冷需求较低，总冷负荷取为 45KW，该设备制 冷功率也完全满足实际需要。 德国威能 Vaillant地源热泵是专门为别墅类 用户设计的，只有四款型号，只做最舒适的设备。 在建项目的地源热泵设备间 3.6.1热泵技术参数：见下表 8 3.6.2德国 Vaillant三位一体式地源热泵机组优势 德国 Vaillant三位一体式地源热泵机组是利用地表浅层土壤吸收的太阳能和 地热能而形成的低温低位热能，采用热泵原理，通过少量的电能输出，实现低位 热能向高位热能转移的一种技术。威能三位一体地源热泵可实现制冷、采暖、提 供生活热水，实现一机多用；一套威能三位一体地源热泵空调系统可代替采暖锅 炉（或集中供暖）加空调两套系统，与传统空调相比，它具有如下显著的特点和 优点 (1) 27  48kW共 4种规格可供选择； (2) 可用于水环工况、水源工况、地源工况； (3) 制冷、制热、热水三合一功能，全智能精确的控制水温技术； (4) 超强的生活热水功能：(循环加热式) 9 a.利用热回收技术，实现制冷的同时，免费享受生活热水，热水温度可达 55℃； b.在空调和采暖不用的情况下，可单独生产生活热水，热水温度可达 55℃； 通过辅助电加热，热水温度最高可达 70℃； c.可以利用低谷电力加热生活热水，费用更省； d.可以在储水罐上安装中央循环热水，从而实现热水即开即用； (5) 采用环保冷媒 R410a，高能效比，节能省电； (6) 可用于空气处理机组、风机盘管系统以及地板辐射采暖系统；机组运用 了独特的降噪技术，机组为落地式安装，可放在室内等某些特殊场合。 3.6.3德国威能 Vaillant三位一体式地源热泵机组机组结构 外壳及内部结构件用优质钢板制作，机组表面喷涂，机组上的侧板和端板均 可拆卸，以便检修压缩机及电气控制板。箱体内部用 15mm厚，密度为 48kg/m3 表面涂覆的玻璃纤维进行保温以防止结露并有效降低了噪音。源水侧的供回水管 接头为管螺纹形式，接头位于机外与循环水路相连接，负载侧的供回水管接头也 为管螺纹形式，接头位于机外，与末端设备的管道相连。热回收侧的供回水管接 头也为管螺纹形式，接头位于机外，与生活热水水路相连。机组的源水侧和负载 水侧、热回收水侧的水管均在同一侧，易于安装和维修，控制箱可通过一个可拆 卸的检修板进行检修。 10 机组内部结构示意图 11 板式换热器 涡旋式压缩机 3.6.4显著的设计 高效优质的德国威能 Vaillant三位一体式地源热泵机组全封闭涡旋式压缩机 都配有一个热过载保护器，保证了制冷系统长期稳定运行。每个制冷回路高低压 侧都设有检修阀供检修之用。 换热器采用钎焊板式换热器。使用薄板片、换热系数高、滞液量少的制冷剂 通道，确保机组回油，高湍流降底了结垢系数，从而减少了清洗次数。 每个回路的安全保护装置包括一个制冷剂高压保护开关和一个低压保护开 关，为机组的制冷剂泄漏或在极低温工况下运行时提供保护，系统水路增加了温 度探头,为了防止机组在流量下或者水温过底的情况下板式换热器冻裂。 3.7、地源部分 地埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。地源热泵的地下换热器所处的 位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤的类型、热性能、热传导、密度、湿度 等对地源热泵系统的性能影响较大。需根据该项目的实际情况，计算单位管长的 换热器能力。具体设计步骤如下： 1）计算地埋管换热器的最大换热量 地埋管换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤中吸收的热 量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量 Q1’= Q1 x（1+1/COP1） Q2’= Q2 x（1-1/COP2） 12 其中： Q1’：夏季向土壤排放的热量，kW Q1 ：夏季设计总冷负荷，kW Q2’：冬季向土壤吸取的热量，kW Q2 ：冬季设计总热负荷，kW COP1：设计工况下地源热泵机组的制冷系数 COP2：设计工况下地源热泵机组的供热系数 本工程夏季设计总冷负荷 Q1=45KW，总热负荷为 Q2=42KW；地源热泵机 组的制冷系数 COP1取 4.81，供热系数 COP2为 3.54。 Q1’= Q1 x（1+1/COP1）=45x(1+1/4.81)=54.4KW Q2’= Q2 x（1-1/COP2）=42x(1-1/3.54)=30.1KW 即系统夏季最大总排热量为 54.4KW，冬季最大总吸热量为 30.1KW。 2）竖井埋管管长 单位管长换热量与地质结构成分有密切关系，而且各地质层传热性能各 有差异，在建立模型计算方面比较困难，而且也存在一定的误差，根据中能 索阳公司的工程经验来计算单位管长的换热量，即单位孔深排热量按 60W/m，单位孔深吸热量按 35W/m。（单位换热量可根据该项目岩土热响应 测试后的实际情况调整）。 按排热量计算地埋管的长度，计算公式如下： L1= Q1’x1000/W L1：竖井总深度，m Q1’：换热器总排热量，kW W1：单位孔深排热量，W/m 因此： 竖井总深度：L1= Q1’x1000/W1=54.4x1000/60=907m 按吸热量计算地埋管的长度，计算公式如下： L2= Q1’x1000/W L2：竖井总深度，m Q2’：换热器总吸热量，kW 13 W2：单位孔深吸热量，W/m 因此： 竖井总深度：L2= Q2’x1000/W2=30.1x1000/35=860m 本系统按吸热量与排热量竖井深度相差为 47m，不考虑冷却塔形式辅助形 式，直接以排热量作为依据。竖井深度总长确定为 907米。 则地埋管实际吸热量 Q3如下： Q3=L2xW2=907mx35W/m=31.7KW 3）竖井数目 根据工程的地质条件，建议竖井深度为 100m。(如果地下有岩层或其他硬物， 则需另外考虑)。计算竖井数目： N=L/H 其中：L：竖井总深度，m N：竖井口数，个 H：单口竖井深度，m 本项目竖井深度 H=100米，因此 N=L/H=907/100=9.07，取整数为 9口；除此之外增加 1口备用井。 则本项目室外地埋管总设计竖井数为 10口。 4）竖井间距 本项目埋管孔径约为 120mm-150mm，下管深度 100m，立管采用 DE25 的 HDPE高密度聚乙烯管双 U管。根据工程经验，设计井间距为 3m，既能满足换 热的需求，又能节省埋管空间。地埋管换热器管路连接方式结合串联和并联两种 方式的优越点比较，本工程选用并联的换热器连接方式。用户现场可打井面积偏 小，经现场勘测，需要用户提前拆除木栏走廊和水池，等地源热泵施工完毕后再 自行恢复。 3.8、末端系统选型 室内采用风机盘管水系统，原有建筑已含部分风机盘管，可以充分利用，本 方案以利用原有风机盘管设计，不含相关建设费用；新建楼风机盘管建设费在本 方案报价之内。 14 3.9、生活热水方案（备选） 用户可选择安装高效平板太阳能解决生活热水需求，并且满足低碳节能的时 尚生活理念；地源热泵与太阳能热水系统可以互补其短，相互辅助利用。建议用 户安装部分平板太阳能，该建议不在方案设计及报价范围内。 四、热泵////空调系统初投资 4.1、威能地源热泵主机设备报价 货币单位：人民币(万元) 名 称 规格型号 单位 数量 单价 小计 主要技术参数 备注 地源热泵机组 VWWCN 483/1 台 1 见参数表 合 计： 小写： 万元 大写：柒万贰仟元整 另国产山东宏力地源热泵机组主机报价（参考） 名 称 规格型号 单位 数量 单价 小计 主要技术参数 备注 地源热泵机组 SM(D)-060 台 2 见参数表 合 计： 小写：万元 大写：伍万陆仟元整 4.2、主机机房安装工程报价 货币单位：人民币（万元） 名 称 数量 单价 小计 备 注 安装工程 1 机房内包括管路系统、膨胀罐、电磁阀、仪表阀 门及工程等。 地源侧水泵 1 威乐MHI802 负载侧水泵 1 威乐MHI803 补液侧水泵 1 威乐MHI203 15 合计 小写：2.7万元 大写：贰万柒仟元整 4.3、室内空调系统部分报价 货币单位：人民币（万元） 名 称 单价 数量 合价 备 注 地板供暖 70元/㎡ 600㎡ 4.2 包括管材、保温、分集水器、控制 合 计 小写：4.2万元 大写：肆万贰仟元整 4.4、 室外成孔部分报价 货币单位：人民币（万元） 名 称 单价 数量 合价 备 注 打井价 51元/m 1000m 5.1 10口 100米深井，含材料 合 计 小写：5.1万元 大写：伍万壹仟元整 4.5、合计总投资 4.5.1合计总投资 （德国威能） 货币单位：人民币(万元) 序号 项目 报价 1 空调主机设备报价 7.2 2 主机机房安装工程报价 2.7 3 室内空调系统部分报价 4.2 4 室外成孔部分报价 5.1 19.2 工程合计 小写：19.2万元 大写：壹拾玖万贰仟元整 16 4.5.2合计总投资 （国产宏力） 货币单位：人民币(万元) 序号 项目 报价 1 空调主机设备报价 5.6 2 主机机房安装工程报价 2.74 3 室内空调系统部分报价 4.2 4 室外成孔部分报价 5.1 17.64 工程合计 小写：17.64万元 大写：壹拾柒万贰仟肆佰元整