别墅地源热泵中央空调系统工程.docx
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别墅地源热泵中央空调系统工程
2010
西安就掌灯别墅地源热泵
中央空调系统工程
方案书
Project
陕西永昌机电工程有限责任公司
二零一零年
一、项目概况
二、设计原则及设计依据
三、设计说明
四、设备选型
五、初投资估算
六、前期说明
七、地源热泵技术介绍
一、项目概况
1.1项目概况
该项目位于西安市。
单套别墅总建筑面积为500㎡，共25套别墅，现建设单位拟采用地埋管技术对该建筑进行冬季供暖、夏季制冷。
同时，我们本着“配置合理、满足需要、安全节约、操作简便”的原则为客户量身订制合适的中央空调系统。
1.2方案设计范围
本方案设计范围为地源热泵空调用冷、热源系统。
考虑到现场地质结构不明确，当地的岩土换热性能不明确，因此本设计方案地埋管系统仅为估算，待经过详细地质勘探及热响应试验后再确定具体的埋管井数及需要的地埋管长度。
二、设计原则及设计依据
1、设计原则
1.1贯彻执行国家基本建设的方针政策，使设计做的切合实际，技术先进，经济合理，安全舒适。
1.2结合现行国家能源政策《民用建筑节能管理规定》、《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》。
1.3遵循国家的能源政策，力求为业主提供一个安全、健康、环保、节能的优质工程。
1.4精心设计，节约建设投资，降低运行费用，减小风险，为业主提供性价比最好、运行费用合理的空调系统。
2.设计依据
✧建设单位提供的建筑平面图
✧有关设计标准
《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005
《地源热泵系统工程技术规范》GB50366－2005
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003
《空气调节设计手册》
《采暖与卫生工程施工验收规范》
《民用建筑采暖通风设计技术措施》
《民用建筑暖通设计技术措施》（2003版）
ASHRAE.1992.1992ASHRAEhandbook—HVACsystemsandequipment,Atlanta;AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-ConditioningEngineers,Inc.
《地下水源热泵》，清华大学，彦启森
GeothermalHeatingandCoolingSystems.AssociationforefficientEnvironmentalEnergySystems.
GroundWaterApplicationsManualMammothInc.
《地源热泵工程技术指南》，徐伟，中国建筑工业出版社
Closed-Loop/Ground-SourceHeatPumpSystemsInstallationGuide,OklahomaStateUniversity.
2.室外主要设计气象参数：
夏季室外空调计算温度：
32.4℃
夏季室外湿球计算温度：
26.3℃
空调日平均温度：
28.8℃
室外通风计算温度：
29℃
最热月平均相对湿度：
81%
平均风速：
1.1m/s
大气压力：
947.4bar
冬季室外空调计算温度：
-3℃
室外通风计算温度：
2℃
最冷月平均相对湿度：
77%
平均风速：
0.9m/s
大气压力：
964.1bar
3.空调区域及其设计条件
空调区域设计参数表
夏季
冬季
温度（℃）
相对湿度（%）
温度（℃）
相对湿度（%）
26±2
40~50
18±2
20~30
4.空调负荷计算
空调热（冷）负荷估算
建筑物功能
建筑面积m2
夏季冷负荷
冬季热负荷
指标W/m2
冷负荷kW
指标W/m2
热负荷kW
住宅
500
100
50
80
40
5、空调部分地埋管冷热负荷计算
地埋管冷热负荷与地热换热器的设计有关，地热负荷是释放到地下的热量（供冷方式）或从地下吸收的热量（供热方式）。
计算如下：
夏季：
地热负荷＝∑[空调能量冷负荷×（1＋1/EER）]
冬季：
地热负荷＝∑[空调能量热负荷×（1－1/COP）]
全年夏季放热量：
Q1=50KW×（1＋1/EER）=647KW
全年冬季吸热量：
Q2=40KW×（1－1/COP）=304KW
三、项目设计说明
1.结合本项目的实际情况，选用地源热泵机组进行夏季制冷、冬季供暖。
地源热泵具有节能、环保、冷热结合、调控方便的特点。
2.补水定压系统
系统的补水，采用自来水。
在主干管上设置电子水处理器，防止系统结垢现象的产生。
系统定压采用自动定压补水设备。
图地源热泵系统示意图
3.室外地埋换热器
在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。
尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，因此本设计采用垂直埋管布置方式。
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。
并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。
因此，本设计采用采用单U型管并联同程的热交换器形式。
在选择管材时，采用聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上。
4.地埋管补液系统
系统的补水，采用自来水。
在主干管上设置电子水处理器，防止系统结垢现象的产生。
系统定压采用自动定压补水设备。
四、地源热泵设备选型
（1）.地源热泵主机选型
1、空调主机选型
选用AWW080HS型螺杆式地源热泵机组1台，提供空调冷热源，总制冷量542KW，总制热量596KW。
单机参数如下：
地源热泵主机AWW080HS型单机参数：
工况
能量
输出
kw
冷冻水
温度（℃）
冷却水
温度（℃）
蒸发器
流量（m3/h）
冷凝器流量（m3/h）
蒸发器压降（m）
冷凝器压降（m）
耗电量（kW）
制冷
271
12
7
18
29
47
25
5.2
4.5
54
制热
298
15
7
40
45
25
47
5.2
4.5
69
机组外形尺寸：
3050（长）×1100（宽）×1250（高）
2.地源热泵工作模式说明
空调制冷工作模式：
AWW080HS型螺杆式地源热泵机组2台，总制冷量542KW,总输入功率108kw,满足建筑物夏季制冷。
空调制热工作模式：
AWW080HS型螺杆式地源热泵机组2台，总制热量596KW,总输入功率138kw，满足建筑物冬季采暖。
3.机房附属设备选型
3．1水泵选型：
空调机组室内侧循环水泵：
选用2台（1用1备），KQL80/160-7.5/2.单台循环水量50m3/h，扬程32m，功率7.5KW。
空调机组室外侧循环水泵：
选用2台（1用1备），KQL80/160-7.5/2.单台循环水量50m3/h，扬程32m，功率7.5KW。
3．2水处理设备选型：
电子水处理仪：
选用2台，DN50，（室内侧、地埋侧）。
囊式膨胀水箱：
选用RSN800型落地式膨胀水箱1台，罐体直径800mm，
工作压力1.6Mpa，水泵两台，流量4.5-9.5m3/h，扬程50m，功率4.0KW
（2）、地埋管换热器设计
1、钻孔参数
钻孔基本参数
钻孔深度（m）
102
钻孔直径（mm）
150
埋管形式
单U型
埋管材质
PE管
埋管内径（mm）
26
埋管外径（mm）
32
钻孔回填材料
中砂、膨润土
地下水位（m）
未知
2、地埋管系统计算说明
◆地埋管总长度
因缺乏当地土壤相关物性参数，以下设计按常规数据考虑。
单井地下换热器每延米所承担的建筑冷热负荷为50W/M，每延米所承担的建筑热负荷为45W/M。
◆确定竖井埋管管长
夏季放热量：
Q1=50KW×（1＋1/EER）=650.4KW
冬季吸热量：
Q2=40KW×（1－1/COP）=459KW
空调夏季制冷井深岩米量L=650.4×1000÷50=11825米
空调冬季制冷井深岩米量L=459×1000÷45=9180米
考虑到地埋管覆盖层厚度等因素的影响，如按夏季负荷计算需要118个孔，如按冬季负荷计算需要92个孔，根据场地埋设120个孔，满足夏季地埋管工况使用要求。
地埋管计算结果：
铺设地下换热器的范围：
此建筑的绿化地带；
地下换热器数量：
120个；
地下换热器形式：
单U型；
地下换热器管材：
高密度聚乙烯PE100管；
地下换热器有效深度：
100米；
地下换热器间距：
4米；
地下换热器布置：
垂直地下换热器为矩阵形布置；
敷设地下换热器的面积约为：
1920m²；
地埋管初步设计排间距和孔间距均为4m，钻孔孔径150mm，钻孔深100m，钻孔120个，竖直埋管量为24000m。
2.1 地埋管水力平衡设计
本工程地埋管环路数量不大，各个环路阻力损失ΔP，包括沿程阻力损失和局部阻力损失ΔPj。
2.1.1各环路沿程阻力损失ΔPm计算
各环路沿程阻力损失ΔPm（毫米水柱）=iL，
式中i－塑料管水力坡降（毫米水柱/米）；
L－各环路总长度（米）；
塑料管水力坡降，可近似按下式计算：
i＝0.00095×1000×G1.774/dj4.774，
式中G－每个环路流量（m3/s）;
dj－地埋管计算内径，本工程为0.026米。
2.1.2各环路局部阻力损失ΔPj计算
各环路沿程阻力损失ΔPj（毫米水柱）=iL＇
式中i－塑料管水力坡降（毫米水柱/米），同上；
L＇－各环路局部阻力当量长度（米）；
根据以上公式，可以对所有埋管环路进行详细的水力计算，依据计算出的阻力数值进行分组，阻力相近的埋管划为同组。
2.2其他说明
随着地埋管运行时间的变化及其换热温差（取决于循环液的温度和地埋管周围土壤的温度）的变化，地埋管散热量的测试数据将发生较大变化。
另外在地埋管安装初期，对地埋管现场的岩土层热物性作进一步测定，并对初步设计进行必要的调整。
同一地质地埋管换热能力的大小、传热性能强弱与回灌材料及其安装质量有关。
2.4管路压力计算
管路的最大压力（P）等于静压、重力作用静压和水泵扬程（Ph）一半的总和。
聚乙烯PE32额定承压能力为1.6MPa，管材满足设计要求。
五、项目初投资估算
单位：
元
序号
设备名称
规格型号
单价
数量
单位
合价
备注
1
螺杆式
地源热泵机组
AWW080HS
制冷量271KW
制热量298KW
2
台
Airwell
2
风机盘管
VPN200
20
台
Airwell
3
风机盘管
VPN300
100
台
Airwell
4
风机盘管
VPN400
13
台
Airwell
5
风机盘管
VPN500
9
台
6
风机盘管
VPN600
22
台
7
空调室内侧循环水泵
KQL80/160-7.5/2
3
台
两用一备
8
空调室外侧循环水泵
KQL80/160-7.5/2
3
台
两用一备
9
电子水处理仪
DN150
2
台
10
软水器（时间型）
L=3-4m3/h
1
台
11
软水箱
2*2*2
1
台
12
定压补水装置
φ800
1
套
13
镀锌铁皮
厚度0.75mm
208
㎡
14
室内安装费
管道、保温、人工、机械等
1
项
15
机房内工程安装
1
项
含机房
二次配电
16
室外换热器制作及安装费用
管材、填料、钻井、打压等
1
项
含钻井费用
17
乙二醇溶液
按25%配比
1
项
18
合计
元
工程量说明：
地源热泵机房设备、安装（不含土建）
地埋管换热系统，室外打孔地层暂按黄土层估算，若地层发生改变价格相应发生改变。
六、前期说明
机组电功率
名称
型号
夏季功率（KW）
冬季功率（KW）
主机
AWW080HS
54*2
69*2
空调室内侧循环水泵
KQL80/160-7.5/2
7.5*2
7.5*2
空调室外侧循环水泵
KQL80/160-7.5/2
7.5*2
7.5*2
共计
138
168
七、地源热泵技术介绍
地源热泵产品介绍
地源热泵（GroundSourceHeatPump）技术是利用大地作为低位热源，通常是利用地球表面浅层水源如地下水、河流、湖泊中吸收的太阳能和地热能，并应用热泵原理，对建筑物进行冬季供暖、夏季制冷。
地球表面浅层水源如深度在100米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且温度一般都相对稳定。
地源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源或土壤中蓄存起来，而冬季，则从水源或土壤中提取能量供给建筑物使用。
热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，而热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。
如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10％的速度稳步增长。
1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19％，其中有新建筑中占30％。
美国热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。
美国计划到2001年达到每年安装40万台热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元。
与美国的热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。
据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。
同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。
。
在我国，地源热泵的应用近几年才开始起步，但发展潜力十分巨大。
一方面随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，要节约常规能源、充分利用可再生能源；北方地区新建小区一般不能使用燃煤锅炉供热，以何种方式解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。
另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。
上海居民住宅空调拥有率已超过60％，北京也达到34％，城镇居民住宅平均拥有率已达20％，并且目前家用空调拥有率仍在飞速增长。
这样，对于我国的广大地区，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要统一考虑供暖和制冷以及热水的需求。
借鉴发达国家的经验，采用地源热泵方式可能成为满足这种要求的最佳方式之一。
正如水能够通过水泵能从低处向高处流动一样，热泵系统就是能够把能量从温度低（低品位能量）传递到温度高（高品位能量）的设备系统。
它是以花费一部分高质能为代价，从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热，从而有效地利用了低水平的热能。
在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进入水/制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高。
到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体后进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收空气的（水）的热量。
低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。
此时，制冷环境需要的冷冻水在蒸发器中获得。
在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进入冷凝器同时排放热量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体进入蒸发器器蒸发成低压蒸汽，蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。
低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。
此时，供热环境需要的热水在冷凝器中获得。
热泵系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用、运行灵活且无污染的新型中央空调系统。
它利用空气、地表水、地下水、工业废水及地下常温土壤资源，借助压缩机系统，完成制冷（制热）。
它无须任何人工资源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。
它不向外界排放任何废气、废水、废渣，使人们远离粉尘、废气和霉菌，是一种理想的绿色技术"。
目前我国利用较多的是水/地源热泵，就是以地下水作为冷热"源体"，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。
传统的暖通空调系统需要很多辅助系统或设备来完成一个完整的暖通空调功能，如冷却塔。
而水源热泵系统只是通过与地下水的热交换来完成制冷或制热的效果。
只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。
地源热泵是由水循环系统、热交换系统、水源热泵机组和控制系统组成，是一套节能无污染，既能取暖又能制冷的设备从能源角度来说，它是利用常温下土壤热量。
所以，这是一种用之不尽的可再生能源。
地源热泵系统的分类
地源按照室外换热方式不同可分为三类：
（1）土壤埋管系统，
（2）地下水系统，（3）地表水系统。
地源热泵根据对低温热源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。
闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或地表水域中，通过与土壤或地表水域水换热来实现能量转移。
（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中的系统又称海水源热泵）。
开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统。
在实际应用中，一般按照低温热源的类型和应用方式将地源热泵系统分为以下四类。
1.2.1地下水热泵系统
也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。
通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至地源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。
如图2-1所示
1.2.2地表水热泵系统：
通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。
如图2-2所示
图2-1地下水热泵系统图2-2地表水热泵系统
1.2.3水平埋管地源热泵系统通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在水平埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
如图2-3所示
1.2.4垂直埋管地源热泵系统通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在垂直埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
如图2-4所示
图1-3水平埋管地源热泵系统图1-4垂直埋管地源热泵系统
地下水热泵系统和地表水热泵系统一般直接称为“水源热泵系统；水平埋管和垂直埋管地源热泵系统一般也称为“地下耦合热泵系统”或“土壤源热泵系统”。
热泵工作原理简介：
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。
但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。
所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。
热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过制冷剂循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。
一台压缩式制冷装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质（制冷剂）不断完成蒸发→压缩→冷凝→节流→再蒸发的热力循环过程，而将制冷空间的热量转移达到制冷效果（如图1所示）。
而如果在设备上增设一个控制工质流向的的换向阀，使其完成与制冷过程相反的逆向热力循环，从低温热源吸取热量，并将此热量转移给相对的高温空间（即制冷过程中的制冷空间），达到供热的目的（如图2所示），则就是一套热泵系统了。
地源热泵系统的特点:
1）可再生能源利用技术
土壤源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。
地表浅层好象一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。
这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。
并且地能不象太阳能受气候的影响，也不象深层地热受资源和地质结构的限制。
另外土壤源热泵冬季供暖时，同时对地能蓄存冷量，以备夏用，夏季空调时，又给地能蓄存热量，以备冬用。
因此说土壤源热泵是可再生能源利用技术。
2）属经济有效的节能技术
地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高，供热时比燃油锅炉节省70％以上的能源；制冷时比普通空调节能40％～50％。
3）环境效益显著
土壤源热泵系统全部为闭式循环，不抽取地下水,不会造成地下水的污染以及地表下陷；热泵的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
可以建造在居民区内，适应社会对能源的发展要求。
4）地源热泵空调系统维护费用极低
在同等条件下，采用土壤源热泵系统的建筑物维护费用非常低。
土壤源热泵系统的地下换热器埋于地下，可保证系统运行50年，运行过程中免于维护，从而节省了维护费用。
5）一机多用，应用范围广
热泵机组即可制冷、供暖，还可回收利用机组的冷凝热供生活热水，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于别墅、宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。
6）不影响建筑美观
土壤热泵系统不存在室外机，不影响建筑物立面的美观。
并且地下换热器的位置可以充分利用绿地、道路、停车场等地进行打孔，不会对其正常功能造成任何影响。
地源热泵这种可再生能源利用技术，高效节能且无任何污染，顺应了国际能源发展大趋势，也顺应了我国的能源与环保政策，是值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。
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