地源热泵带热回收〔水路循环〕在别墅中的应用PHNIX〔芬尼克兹〕集团 廖汉光[摘要] 以市玫瑰园私人别墅的工程为例,介绍土壤热泵空调工程的设计与应用,叙述了土壤源热泵工程的设计步骤,地埋管的布置等具体的设计计算方法[关键词] 土壤源热泵 地埋管 热回收引言随着经济的高速发展和人们生活水平的提高,对供热和空调的需求快速增长,对室外环境质量的要求也不断提高,供热,制冷的方式越来越多样化从可持续发展的角度看,采暖,空调用能必须提高能源利用效率,努力寻找可以再生的能源地源热泵就是一种节能环保型的空调冷热源一、 工程概述：本工程位于"市府后花园"、金星大道与银杉路交会处的东南侧,紧靠市政府新址,更沿清山秀水的"湘江风光带"的玫瑰园别墅；建筑面积为约350㎡,空調面积为186㎡,总设计冷负荷为37.2KW,热负荷为14.9KW,根据计算,选用PHNIX地下环路式地源热泵〔带热回收〕中央空调,型号为PWSRW130S-HGL,机组制冷量为40KW,制热量为31.5KW设计采用的方案为地源热泵〔带热回收〕作为本别墅中央空调系统的冷热源,并且在使用空调的同时,免费提供生活热水二、方案设计参数及依据2.1、空调设计计算基本参数： 夏季冬季空气调节干球温度35.7℃空气调节干球温度-4℃通风干球温度33℃通风干球温度4℃空气调节日平均干球温度31.5℃采暖干球温度-1℃空气调节湿球温度28.5℃相对湿度77%相对湿度80%大气压力102.09KPa大气压力100.05KPa风速2.3m/s风速2.2m/s2.2、 空调设计室计算参数：房间名称温度℃相对湿度%噪音dB〔A〕夏季冬季夏季冬季卧室24±120±1≤65≤45％≤48餐厅24±120±1≤65≤45％≤48客房24±120±1≤65≤45％≤48会客厅24±120±1≤65≤45％≤48庭院24±120±1≤65≤45％≤48书房24±120±1≤65≤45％≤48主卧24±120±1≤65≤45％≤48厨房24±120±1≤65≤45％≤48小孩房24±120±1≤65≤45％≤48自由空间24±120±1≤65≤45％≤482.3、空调设计遵守规和标准1〕、本工程依据建设单位提供的建施图。
2〕、暖气与通风工程施工及验收规3〕、采暖通风与空气调节设计规4〕、简明空调设计手册〔、第二版〕5〕、采暖空调制冷手册〔机械工业〕6〕、国家现行的其他相关规及措施三、系统设计3.1、系统特点：地源热泵中央空调是以地能<地下水、地下沙土等蕴藏的能量>为主要能源,以电为辅助能源,开发利用地下取之不尽用之不竭的巨大能源、成本低、效果好、性能稳定的一种空调系统先进的地源热泵空调将地下取之不尽不能直接利用的低位能开发利用,成为可利用的高位能源,它不仅可以满足冬季供热、夏季制冷的需要,又能用来制取卫生热水,解决了洗澡的供水问题,充分显示了其一机三用的优越特性,是一种真正节能、环保无污染的好空调地埋管循环工艺技术,可在地下水源丰富或缺水地区推广使用,广泛适用于商场、宾馆、酒店、洗浴中心、住宅小区、别墅、分层租赁的商务写字楼娱乐场所等各类场所3.2、冷热源系统：经综合分析,选用型号PWSRW130S-HGL的地源热泵机组作为空调系统的冷热源该机组制冷量为40KW,制热量为31.5KW,夏季提供7℃/12℃的冷水,冬季提供45℃/40℃3.3、制冷,采暖形式：根据甲方要求,采用全水系统,水系统为定流量双管制,水管均采用异程式。
空调末端为卧式暗装风机盘管3.4、室外地下埋管设计：3.4.1、热交换器的形式：经过多方面的考虑及甲方意见,本工程采用垂直埋管布置方式,单U型管并联同程的热交换器形式3.4.2、管材选择：一般来讲,一旦将换热器埋入地下后,基本不可能进行维修或更换,这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足,且需要埋入地下的管道的数量较多,应该优先考虑使用价格较低的管材所以,土壤源热泵系统中一般采用塑料管材因此,本工程采用的是聚乙烯〔PE〕管材,它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3.4.3、管径确定：在实际工程中确定管径必须满足两个要求：〔1〕管道要大到足够保持最小输送功率；〔2〕管道要小到足够使管道保持紊流以保证流体与管道壁之间的传热显然,上述两个要求相互矛盾,需要综合考虑一般并联环路用小管径,集管用大管径,地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm,管流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道,管流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下综上所述,本工程地下热交换器埋管采用管径为200MM。
3.4.4、地下负荷计算：冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量可以由下述公式计算：由负荷计算得夏季设计空调冷负荷为37.2KW,则冬季设计采暖负荷为14.9KW由于地区一般夏季负荷比冬季负荷的大,而且冬季单位采暖供热量比夏季的大,故只需计算夏季负荷即可满足冬季采暖负荷kW 〔1〕 kW 〔2〕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＇——冬季从土壤吸收的热量,kW Q2——冬季设计总热负荷,kW COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数 COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数由公式〔1〕、〔2〕计算得Q1＇=46KW,Q2＇=18.4KW3.4.5、竖井埋管管长确定：地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外,还需要有当地的土壤技术资料,如地下温度、传热系数等在实际工程中,可以利用管材"换热能力"来计算管长换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量,一般垂直埋管为70～110W/m<井深>,或35～55W/m<管长>,水平埋管为20～40W/m〔管长〕左右 设计时可取换热能力的下限值,即45W/m〔管长〕,具体计算公式如下：L=Q’*1000/45 〔3〕其中L——竖井埋管总长,m Q1＇——夏季向土壤排放的热量,kW 分母"45"是夏季每m管长散热量,W/m经上面计算Q1＇=46KW,代进公式〔3〕计算得L=1022m。
室外垂直埋管示意图：3.4.6、竖井数目及间距确定：竖井深度多数采用50～120m,在此围选择一个竖井深度H,代入下式计算竖井数目:〔4〕 其中 N——竖井总数,个 L——竖井埋管总长,m H——竖井深度,m 分母"2"是考虑到竖井埋管管长约等于竖井深度的2倍代进L=1022m,H取60m, 则N=8.5个,取N=9个,则实际管长为1080米U型管竖井的水平间距一般为4.5m,每一竖井为一个分路四、生活热水4.1、 热水使用概况本工程的主机选用了带热回收功能,在机组运行的过程中可以得到生活用的热水〔夏天制热水费用为0〕根据甲方提供的参数,每天使用人数为5人,按照每人每天使用100L计算,我们为本工程选用了一500L的304不锈钢整体发泡保温水箱4.2、 热水设计计算按机组的回收量为20%计算,每个小时回收的热量为40KW×20%=8KW,冬天以5℃的进水温度加热到50℃计算,由上计算可以看出,要加热500L热水,机组每天只需要运行4个小时就能满足而且在制冷的季节,制热水的费用为0,也就是说用户可以免费得到生活用热水五、机组特点地下环路式,安全环保采用地环水冷,冷、热源系统为封闭水循环系统,封闭水循环系统通过地埋管和进行热交换,不会污染水源,不直接抽取地下水,即安全又环保。
健康环保地源热泵系统,冬季不用锅炉房,夏季不用冷却塔,不燃煤、不燃油、不燃气,不取地下水,不破坏地下水资源,不造成空气热污染,不产生任何废气和废弃物,具有零污染的良好品质,真正实现了健康环保效应可选热回收功能机组可选加带热回收功能,制冷运行时,机组通过热回收冷凝器排出的废热加热生活热水,热水加热费用为0.智能控制,多重保护采用先进的智能化控制技术,配备人性化触摸按键点阵液晶线控器,不仅功能齐全,而且防水效果良好六、工程图片七、小结 本工程采用地源热泵〔地埋管〕带热回收,完全取消了生活热水锅炉,既降低了投资,又节省了生活热水运行成本和锅炉水处理及锅炉排烟处理投资,减少了锅炉排烟污染该系统集节能、环保、无污染等优点于一身,在能源短缺和环境污染日趋严重的今天具有巨大的推广价值。