全熱回收型地源熱泵機組在別墅中的設(shè)計應(yīng)用

威能(中國)供熱制冷環(huán)境技術(shù)有限公司 馬海峰

在傳統(tǒng)建筑中，空調(diào)系統(tǒng)耗電常受室外空氣溫度影響導致耗電增加?？照{(diào)制冷/供熱能耗可占建筑物總能耗的60%。地源熱泵系統(tǒng)是一種利用儲存于大地中的能量，為建筑物采暖、制冷和提供生活熱水的經(jīng)濟環(huán)保系統(tǒng)。利用地源熱泵系統(tǒng)，理論上可以從大地中免費得到75%的能量，也就是說用戶只需支付1 kW的電費就可以得到4 kW的熱量。

節(jié)能減排、建筑節(jié)能是國家節(jié)約能源的重點。為了降低建筑對能源資源的消耗水平，提倡利用太陽能、地熱能等可再生能源，我司研發(fā)生產(chǎn)了三位一體式地源熱泵產(chǎn)品，可以滿足制冷、供熱及生活熱水的需求。青島膠州市某別墅計劃使用中央空調(diào)系統(tǒng)及熱水系統(tǒng)，同時又要求建筑節(jié)能，正好適合采用全熱回收型三位一體式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來節(jié)省能源。

1 項目概況

本項目位于山東省青島膠州市某湖心島上，項目周圍環(huán)水，一期工程坐落在湖邊，總建筑面積45 400 m2，主要有獨棟別墅、雙拼別墅和聯(lián)排別墅等3種形式，共113戶。根據(jù)與建設(shè)單位交流，本項目所有區(qū)域考慮地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，要求夏季制冷，冬季制熱，且能提供生活熱水；整個空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計以實用、高效節(jié)能、維護簡單、管理方便為原則。

本方案是針對獨棟別墅戶型進行詳細的方案設(shè)計，建筑面積約606 m2，使用全熱回收型三位一體式地源熱泵機組。

2 設(shè)計參數(shù)確定

2.1 設(shè)計依據(jù)

(1) GB 50736－2012 《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》.

(2) GB 50366－2009 《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》。

(3) GB 50015－2019 《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》。

(4) GB 50189－2015 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》。

(5) GB 50019－2015《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》。

2.2 設(shè)計參數(shù)

室外主要計算參數(shù)參見GB 50736－2012，室內(nèi)主要計算參數(shù)(青島市)見表1。

表1 室內(nèi)主要計算參數(shù)

2.3 熱水耗熱量確定

考慮到生活用水及衛(wèi)生用水需要，別墅人數(shù)按7人計算，每人每日用水100 L，則日用水量700 L。按GB 50015－2019《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》，本工程熱水供水溫度按45 ℃設(shè)計，夏季熱水補水溫度為25 ℃，過渡季熱水補水溫度為15 ℃，冬季熱水補水溫度為5 ℃。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)負荷

根據(jù)建設(shè)方及設(shè)計院提供的相應(yīng)資料，本項目夏季設(shè)計冷負荷Q1為44.5 kW，冬季設(shè)計熱負荷Q2為51.34 kW。

3 空調(diào)及熱水方案

3.1 主機選擇

根據(jù)膠州半島的相關(guān)地質(zhì)資料，比較適合地源熱泵工程的建設(shè)，供暖、制冷最有效、最經(jīng)濟的方案是采用地源熱泵設(shè)備及系統(tǒng)。確定選用VWW CN 483/2 P威能全熱回收型三位一體式地源熱泵機組1臺，額定制冷量47.50 kW，制冷輸入功率9.87 kW，能效比EER為4.81；額定制熱量48.30 kW，制熱輸入功率13.65 kW，能效比COP為3.54；負載側(cè)水泵流量8.15 m3/h，揚程26 m，功率1.10 kW；負載側(cè)水泵流量9.84 m3/h，揚程30 m，功率1.10 kW；熱水側(cè)水泵流量9.84 m3/h，揚程10～15 m，功率0.37 kW，名義產(chǎn)水量1 000 L/h。

夏季制冷工況：負載側(cè)進/出水溫度為12/7 ℃，地源側(cè)進/出水溫度為25/30 ℃。冬季制熱工況：地源側(cè)進水溫度15 ℃，負載側(cè)進水溫度40 ℃。

熱回收側(cè)進/出水溫度為25/45 ℃，最高可達55 ℃。

3.2 生活熱水

本項目要求全年集中供應(yīng)生活熱水?？紤]到夏季制熱時冷水機組有大量的余熱可以免費利用，所以選用帶熱回收型的熱泵設(shè)備，加熱衛(wèi)生熱水到45 ℃，產(chǎn)生的熱水通過保溫水箱儲存，可滿足整個夏季免費供應(yīng)熱水；冬季地源熱泵機組制熱運行，同時優(yōu)先滿足生活熱水的加熱；過渡季節(jié)地源熱泵機組開啟單獨制熱水。

對于熱水儲熱水箱；按照GB 50015－2019及別墅的實際用水情況(最大用水量700 L/d)，選用1只500 L的熱水箱，滿足生活熱水的需要。

4 地下埋管式換熱系統(tǒng)設(shè)計

該項目打孔用地較少，設(shè)計選用雙U型地埋管。地埋管置于建筑外空地下，埋設(shè)完畢后地表面再進行綠化。地埋管采用地源熱泵專用的PE100管(SDR11)，雙U布置；規(guī)格De32 mm×3.0 mm，承壓1.6 MPa。

地下埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的重點，根據(jù)相關(guān)設(shè)計手冊及當?shù)氐耐寥捞匦?、氣候條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等特點并結(jié)合該項目的具體情況，采用豎埋管方式比較可行。

4.1 計算地下?lián)Q熱器最大換熱量

按《土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法》[1], 夏季向土壤中排放的熱量、冬季從土壤中吸收的熱量分別為：

式中：Q1——夏季設(shè)計冷負荷，44.50 kW；

Q'1——夏季向土壤中排放的熱量，kW；

Q2——冬季設(shè)計熱負荷，51.34 kW；

Q'2——冬季從土壤中吸收的熱量，kW；

EER——制冷能效比，取4.81；

COP——制熱能效比，取3.54。

經(jīng)計算：夏季向土壤中排放的熱量Q'1=44.50×(1＋1/4.81)=53.75 kW；冬季從土壤中吸收的熱量Q'2= 51.34×(1－1/3.54) = 36.84 kW。

可以看出夏季向土壤排放的熱量高于冬季從土壤中吸收的熱量。地下?lián)Q熱器的最大換熱量Q應(yīng)取Q'1與Q'2的較大值，即53.75 kW。

4.2 計算豎井埋管管長

本設(shè)計用管材“利換能力”來計算管長。由于項目用地少，所以為減少打孔，選用雙U型地埋管。為準確選用換熱能力，本項目選擇了3個典型位置，采用進口測試設(shè)備，進行了土壤熱工參數(shù)測試，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 土壤熱工參數(shù)測試數(shù)據(jù)

綜上測試結(jié)果，以2號測試孔的結(jié)果為依據(jù)，夏季工況下地埋管每米管長換熱量取65 W/m(井深)計算。按照地埋管總管長L=地埋管最大換熱量Q/地埋管每米管長換熱量[1]，可得：L=53.75×1 000/ 65=827 m，即本項目制冷所需的地埋井總深度L為827 m。

4.3 確定豎井數(shù)目及間距

通常豎井深度的選取范圍為80～120 m。根據(jù)地質(zhì)勘探，該項目豎井深度取100 m比較合理，故井數(shù)目N= 827/100= 8.27口，取整后為8口井。

豎井間距的大小直接影響井與井之間的相互熱干擾。間距大熱干擾小；反之，間距小熱干擾大。實際情況下由于埋管面積有限，不可能無限制地擴大井間距，所以結(jié)合本工程的實際情況和以往工程經(jīng)驗，取井間距為4 m。

4.4 計算地埋管占地面積

按上述的8口豎井，以4 m×4 m布置井距，所需地埋管的面積為64 m2。根據(jù)甲方提供的平面圖紙，場地完全可以滿足需要。

4.5 計算管徑

按水系統(tǒng)設(shè)計要求，主管水流速為1.2～4.5 m/s，支管水流速為1.5～3 m/s；地埋管換熱器內(nèi)管道推薦流速為雙U不小于0.4 m/s (建議流速0.4～1.0 m/s) 。

地源熱泵主機為VWW CN 483/2 P，地源側(cè)主管水流量為9.84 m3/h，取主管管徑De63(有效直徑按0.05 m計算)，則主管流速v主=主管水流量/主管有效面積=9.84/3 600/(3.14×0.052/4) = 1.4 m/s。雙U支管為直徑 De32(有效直徑按0.025 m計算)的地埋管，共分8孔，則地源熱泵運行時每孔水流量計算過程為：支管水流量=主管水流量/孔數(shù)量=9.84/8=1.23 m3/h，支管流速v支=支管水流量/支管有效面積 = 1.23/3 600 /(3.14×0.0252/4) = 0.7 m/s。

通過以上計算可知，管徑的選擇可以滿足相應(yīng)的流速要求。

4.6 校核管材承壓能力

管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用水的靜壓力和負載時產(chǎn)生的動壓[2]。

式中：p——管路承受的最大壓力，kPa；

p0——當?shù)叵募敬髿鈮毫?，?9.7 kPa；

p靜——重力作用下水的靜壓力，當豎井深度為100 m時，取980.0 kPa；

p動——負載時產(chǎn)生的動壓力，通常以水泵最大揚程30 m的一半計算，得147.0 kPa。

因此，管路最大壓力p=99.7＋980.0＋147.0=1 226.7 kPa (約1.2 MPa)。

選用的PE100管材，其最大承壓1.6 MPa，可以滿足相應(yīng)管材的承壓要求。

5 運行費用計算與分析

5.1 運行費用計算

該項目運行費用主要由水泵運行電費及主機制冷、制熱和熱水運行電費組成。主機的運行模式主要有以下幾種：

制冷模式+熱水1模式：制冷模式需計算主機運行能耗、空調(diào)末端水泵＋地埋側(cè)水泵電費；此時熱泵為全熱回收模式，即熱水1模式僅計算熱回收水泵電費。

制熱模式：需計算主機運行能耗、空調(diào)末端水泵+地埋側(cè)水泵電費。

熱水2模式：需計算主機運行能耗、地埋側(cè)水泵和熱回收水泵電費。

表3為空調(diào)系統(tǒng)總配電負荷表。從表3可以得出：制冷或制熱模式時水泵總額定功率為1.10＋1.10=2.20 kW；風機盤管機組總額定功率為0.72＋0.15＋0.20=1.07 kW；熱水1模式時水泵總額定功率為0.37 kW；熱水2模式時水泵總額定功率為1.10＋0.37=1.47 kW。

表3 空調(diào)系統(tǒng)總配電負荷

熱泵主機和風機盤管機組需考慮不同運行負荷下(33.3%、66.6%和100.0%)的功率，例如運行負荷為33.3%時，熱泵主機的功率為 9.87×33.3%=3.29kW，風機盤管功率為0.36 kW。

按照前述日用水量700 L，主機名義產(chǎn)水量1 000 L/h，則每天的熱水加熱時間=日用水量/名義產(chǎn)水量=700/1 000=0.7 h。熱水1和熱水2模式的運行時間分別為63 h和193 h。

其中每年制冷設(shè)為90 d，平均每天工作取8 h共計720 h；每年制熱設(shè)為120 d，平均每天工作取10 h共計1 200 h。此處的運行時間取值為常規(guī)家庭生活習慣的平均值，即累計制冷每天8 h，累計制熱每天10 h。不同負荷工況下的運行時間占比分別為30%、40%和30%，例如負荷為33.3%時的運行時間為 90×8×30%= 216 h。則耗電量為(3.29＋0.36＋2.20) ×216=1 263.60 kW·h。

電費按0.55元/kW·h綜合計算，不考慮階梯電價，可以得到運行費用計算表，如表4所示。

表4 運行費用計算

5.2 運行費用分析

由表4可知，地源熱泵系統(tǒng)全年制熱、制冷及熱水總耗電量為24 176.79 kW·h，總電費為13 297.23元，其中制熱費用為7 925.94元，制冷費用為3 757.64元，熱水費用為1 613.65元。

由此，單位面積每天運行費用指標為：

總耗電量/總面積/總運行天數(shù)=13 297.23/606/365 = 0.06元/ (m2·d)；

單位面積制冷運行費用=制冷費用/總面積=3 757.64/606 = 6.20元/ m2；

單位面積制熱運行費用=制熱費用/總面積=7 925.94/606 = 13.08元/ m2；

每天平均熱水運行費用=熱水費用/總天數(shù)=1 613.65/365 = 4.42元/d。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行費用與主機設(shè)備的夏季制冷EER值及冬季制熱COP值相關(guān)。傳統(tǒng)空氣源熱泵空調(diào)的能效較低，如以某常規(guī)空氣源熱泵空調(diào)的平均能效比3.0為基準進行計算，則相應(yīng)的運行費用差異可計算為：制冷3 757.64×(1－3.0/4.81)=1 414.00元，制熱7 925.94×(1－3.0/3.54)=1 209.04元，共計節(jié)約2 623.04元，地源熱泵費用節(jié)省比例為2 623.04×100%/(3 757.64＋7 925.94) = 22.45%，即節(jié)能率超過20%。

從冬季制熱來看，采用地源熱泵系統(tǒng)的單價為13.08元/ m2，對照2020－2021年度青島膠州某熱力公司的冬天集中供暖的收費標準30.40元/m2，費用節(jié)省比例為(30.40－13.08)×100%/30.40=56.97%，即節(jié)能率超過50% 。

6 結(jié)語

采用熱回收型地源熱泵系統(tǒng)制冷、供暖及供生活熱水能夠達到設(shè)計要求，并能比傳統(tǒng)制冷、供暖及供生活熱水的方式創(chuàng)造更舒適的環(huán)境。雖然初始投資比常規(guī)空調(diào)方式增加20%～40%，但運行期間的能耗減少20%以上；相比傳統(tǒng)的集中供熱方式，制熱能耗減少50%以上。因此，可以認為熱回收型地源熱泵大大降低了使用能耗，減少了大氣污染，具有良好的經(jīng)濟、社會效益。