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浅谈地源热泵(地下水式)在地板辐射 供冷供热工程实践中的应用

发布时间:2016-07-14  文章来源:王颖  浏览量:[]

(四川自力建筑勘测设计有限公司  四川  泸州  646000)

1、引言

能源和环保是人类生存和发展的两大主题,是全球关注的问题。建筑节能是贯彻可持续发展战略的重要组成部分,是执行国家节约能源、保护环境基本国策的重要措施,是建筑发展的大趋势。建筑能耗以供热采暖和空调能耗为主,地源热泵供热供冷是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统,冬季向建筑物供热,夏季又可供冷,可广泛应用与各类建筑中。

地下水式水源热泵概念:地下水式水源热泵空调系统,是一种以水为低位热源,利用地下式水源热泵机组为空调系统制备与提供冷/热水,再通过空调末端设备实现房间空气调节的系统形式、作为低位热源的水体,可以利用温度合适的地下水、地表水(含海水、江水等)、再生水(城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等人工利用后排放且经过处理的水源)等。

地下水式水源热泵空调系统的组成,如图。




室内地板辐射供冷供热技术,优点是热舒适性好,空调环境安静。运行费用低,本文以新疆库尔勒某住宅小区应用地源热泵为小区住户提供供冷供热及生活热水作具体分析。

工程概况及系统设计本工程为巴州库尔勒永乐·阳光水岸水源热泵中央空调与供暖系统设计,工程位于库尔勒市区,永乐·阳光水岸是集高层住宅与商业广场为一体的高品位社区,总建筑面积为193580m2,其中地上建筑面积为177943m2,地下建设置三座机房四个系统,采用高温高效型水源热泵机组提供冷、热源,冬季为住宅楼、商业广场供暖,夏季为住宅楼、商业广场制冷。筑面积为15637m2;高层住宅楼面积为100728 m2,多层住宅楼面积为42278m2,商业广场建筑面积为33447m2。本工程分三期,一期为11栋多层建筑:二期为5栋高层商住楼:三期为5栋高层商住楼。

本工程分三期,一期为多层建筑:二期为高层商住楼:三期为高层住宅。


一期外网系统图

住宅采暖采用低温地板辐射供暖系统,冬季热水供回水温度为45/38℃。夏季供水温度为18/21℃,管路按照夏季工况进行设计。商业广场采用中央空调系统,冬季热水供回水温度为45/40℃,夏季冷水供回水温度为7/12℃。住宅供冷不使用热泵机组,只运行深井泵,抽取地下水,地下水温为15℃,通过板式换热器换热后供水温度为18℃,供入住户后,进过地板辐射盘管热交换后,回水温度为约1℃,实测下午六点室外干球温度为33.1℃,湿球温度为21.2℃,相对湿度34.4%,客厅新疆库尔勒市区七月份实测平均温度


室外温度:

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

北京时间


%


9:00

室外

28.5

18

36

微干热

14:00

室外

33.1

21.2

34.4

干热

22:00

室外

27

18

42

较舒适

没有空调房间的室内温度:

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

9:00

普通卧室

29.5

20.2

43.2

微干热

14:00

普通卧室

29.1

22.5

57.4

微干热

22:00

普通卧室

31.3

22.1

45.6

微干热

地板辐射房间实测温度

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

北京时间


%


19:30

客厅

25

20

63.9

舒适

19:30

卧室

25

19

57.4

舒适

库尔勒为干燥地区,室外夏季炎热,冬季寒冷,相对湿度冬季为20%左右,夏季为40%左右,夏季空气露点温度为13℃左右,目前供水温度为18℃,供水温度在空气露点温度以上,很适合夏季利用地板辐射盘管供冷进行室内环境的降温,并且没有室内比较宁静,没有风机噪音的问题,地板有蓄冷的作用,热惰性比较好,地板表面辐射温度比较低,冷辐射效果比较好。

本工程打7口井,两口抽水井,单口出水量120m3/h,5口回灌井,单口井回灌量60m3/h,单口井深140米,井直径为600mm,井的间距为不小于60米。


2、工程设计依据规范

1、《采暖通风与空气调节设计规范》                       (GB50019-2003)

2、《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》           (GB50045-95)(2005版)

3、《公共建筑节能设计标准》                             (GB50189-2005)

4、《通风与空调工程施工质量验收规范》                   (GB50243-2002)

5、《地源热泵系统工程设计规范》                         (GB50366-2006)

6、国家有关设计施工规范

3、工程设计原则:

工程方案中明确的几个设计原则如下:

1. 在热辐射的作用下,维护结构内表面和室内其他物体的温度,都比对流供热时高,人体的辐射散热相应减少,人的实际感觉比相同室内温度对流供暖时舒适得多。

2. 由于直接满足了辐射负荷,而且室内空气的流动速度处于自然通风水平,因此能创造舒适度优于其他供暖和空调系统的绿色环境。

3. 既能供暖,又可供冷,一套设备,两种用途。

4. 由于有辐射强(照)度和温度的综合利用,供冷(暖)负荷可减少约15%左右;不仅节省能耗,而且初投资与运行费用都相应减少。

5. 辐射供冷供热加上置换通风或常规新风系统,可以创造出符合绿色要求的仿自然通风环境。

6. 避免了冷却盘管在湿工况下运行的弊端,没有潮湿的表面,杜绝细菌滋生,不仅改善了卫生条件,而且减少了金属的腐蚀机会。

7. 不会产生空调器、风机盘管机组、诱导器、风机动力箱等无法避免的噪音。

8. 由于地面楼板,外墙、隔墙等构造具有较大的蓄热功能,使峰值负荷减少。

供冷负荷的确定

辐射供冷系统的负荷

用地下水资源,做到热能综合利用,达到最佳经济运行状态。

地面辐射供冷供热系统的施工安装比较方便简单,造价低,

地面辐射供冷供热为一个系统,其系统新式、盘管管材、敷设方式等都是相同的。本工程盘管的设计与布置,以夏季供冷工况进行,盘管间距控制在150mm,由于库尔勒地区夏季的相对湿度很低,据实测数据为30%左右,空气露点温度大约在15摄氏度,地面供水温度为16摄氏度。可以不考虑湿度的影响,不采取防结露的措施。为了保证室内空气的品质,住户可根据自己的需求在二装时安装室内换气扇,换气次数为不小于1次/小时,换气扇为夏季使用,冬季必须关闭好,防止冷风渗透。

本小区一期为多层住宅小区,面积约5万平方米,由住宅、会所、幼儿园,商场组成,地源热泵为小区提供冷热源,住宅住宅、幼儿园末端采用地板辐射供冷供热系统,会所、商场末端采用半集中式空气处理系统,住宅主立管采用同程式系统,解决每户的水力失调问题,外网也采用同程式系统,解决每个单元建筑水力失调问题。会所、商场建筑为一个系统,室内外管道均采用异程是系统,节约管路造价,阻力平衡由管路平衡阀解决。

商业广场中央空调系统冷、热负荷计算表


序号


项目

面积

m2

单位冷负荷

W/m2

总冷负荷

KW

单位热负荷

W/m2

总热负荷

KW

1

多层住宅楼

42278

40


45


2

幼儿园

1350

80


48

3

商业

33447

100

3345

50

2341

2、卫生生活热负荷计算:

业主每户每天需要100升卫生生活热水,共500户需要150吨卫生生活热水。

生活热水负荷计算如下(按照将10℃自来水加热到45℃卫生生活热水计算)。

热水耗热量:Q=1.163×50×(45-10) =2035.25KW

热水机组每日累计运行12小时,则热水机组制热量为170KW。

3、水源热泵机组选型:

根据以上冷、热负荷计算,确定水源热泵中央空调与供暖系统选用如下设备:

选用:2台高温高效型水源热泵机组(该机组制热量:2106KW/台,制热功率:494KW/台)为住宅楼采暖系统低区供暖;

选用:2台0高温高效型水源热泵机组(该机组制热量:1871KW/台,制热功率:446KW/台;制冷量:1665KW/台,制热功率:253KW/台)为商业广场供暖、制冷。

选用:1台高温高效型水源热泵热水机组(该机组制热量:531KW/台,制热功率:125KW/台)为住宅楼提供卫生生活热水;

机房位置的确定:地源热泵机房设置在负荷的几何中心,并且在机房内采取消声隔振防电磁辐射的措施,减少对小区内住户生活的影响,实际情况是多层系统中心机房单独选址确定,经权衡比较后,多层系统机房确定在网球场地下层,地下总建筑面积为400平方米,层高为梁下3.8米,实际建筑层高为5.1米,详见机房工艺布置图。

室外供热(冷)外网采用直埋管道敷设,管路采用同程式系统,有利于每个单元的水力平衡,减少各个单元的水力失调;每个单元立管同时也采用同程式系统,较少各个用户的水力失调,从工程经济及管路系统平衡设计角度,虽然增加了一些立管的造价,但是解决了水力失调的问题。 为以后的运行效果创造了好的条件。

本设计的运行调节问题,该系统是按照夏季工况进行布管设计,盘管间距为150mm,供回水温度为18/21℃,单位面积供冷量为40W/m2左右。

在夏季住宅客厅实测温度为25摄氏度,

1、 系统性能、经济性能分析

系统冷暖两用,并提供热水,冷暖费用为50元/平方米,生活热水5元/立方米,与同面积的居住面积比较,采暖和夏季制冷费用节约30%并且住户可以节省购买壁挂炉和家用空调的一次费用,平均每户节省开支为2万元左右。由于地源热泵的能效比达到4以上,冬季把储存在地下的热量去处理,通过高效压缩机,变为高品味热能,供冬季取暖使用,实际的运行成本主要是压缩机,及水泵消耗的电能,同样的一度电,通过压缩机可产生至少4倍的热量,提供给住户取暖。

夏季的制冷运行,通过深水离心吸水泵抽取地下水恒温水的,水温为14℃,通过板式换热器交换热量后,室内供水温度为18℃左右,室内回水温度为21℃左右,主要运行费用主要是水泵的电费,没有其他的运行费用,住户反馈意见非常满意,制冷费用少,室内安静,舒适性很好,没有常规空调的吹风感。

2、 总结

地下水式水源热泵在地板辐射供冷供热综合能效比高,节能效果为,地板辐射供冷供热在西北干燥地区有很大的节能前景。

室外温度:

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

北京时间


%


9:00

室外

28.5

18

36

微干热

14:00

室外

33.1

21.2

34.4

干热

22:00

室外

27

18

42

较舒适

没有空调房间的室内温度:

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

9:00

普通卧室

29.5

20.2

43.2

微干热

14:00

普通卧室

29.1

22.5

57.4

微干热

22:00

普通卧室

31.3

22.1

45.6

微干热

地板辐射房间实测温度

时间

地点

干球温度

湿球温度

相对湿度

热感觉

北京时间


%


19:30

客厅

25

20

63.9

舒适

19:30

卧室

25

19

57.4

舒适

库尔勒为干燥地区,室外夏季炎热,冬季寒冷,相对湿度冬季为20%左右,夏季为40%左右,夏季空气露点温度为13℃左右,目前供水温度为18℃,供水温度在空气露点温度以上,很适合夏季利用地板辐射盘管供冷进行室内环境的降温,并且没有室内比较宁静,没有风机噪音的问题,地板有蓄冷的作用,热惰性比较好,地板表面辐射温度比较低,冷辐射效果比较好。

本工程打7口井,两口抽水井,单口出水量120m3/h,5口回灌井,单口井回灌量60m3/h,单口井深140米,井直径为600mm,井的间距为不小于60米。

2、工程设计依据规范

1、《采暖通风与空气调节设计规范》                       (GB50019-2003)

2、《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》           (GB50045-95)(2005版)

3、《公共建筑节能设计标准》                             (GB50189-2005)

4、《通风与空调工程施工质量验收规范》                   (GB50243-2002)

5、《地源热泵系统工程设计规范》                         (GB50366-2006)

6、国家有关设计施工规范

3、工程设计原则:

工程方案中明确的几个设计原则如下:

1. 在热辐射的作用下,维护结构内表面和室内其他物体的温度,都比对流供热时高,人体的辐射散热相应减少,人的实际感觉比相同室内温度对流供暖时舒适得多。

2. 由于直接满足了辐射负荷,而且室内空气的流动速度处于自然通风水平,因此能创造舒适度优于其他供暖和空调系统的绿色环境。

3. 既能供暖,又可供冷,一套设备,两种用途。

4. 由于有辐射强(照)度和温度的综合利用,供冷(暖)负荷可减少约15%左右;不仅节省能耗,而且初投资与运行费用都相应减少。

5. 辐射供冷供热加上置换通风或常规新风系统,可以创造出符合绿色要求的仿自然通风环境。

6. 避免了冷却盘管在湿工况下运行的弊端,没有潮湿的表面,杜绝细菌滋生,不仅改善了卫生条件,而且减少了金属的腐蚀机会。

7. 不会产生空调器、风机盘管机组、诱导器、风机动力箱等无法避免的噪音。

8. 由于地面楼板,外墙、隔墙等构造具有较大的蓄热功能,使峰值负荷减少。

供冷负荷的确定

辐射供冷系统的负荷

用地下水资源,做到热能综合利用,达到最佳经济运行状态。

地面辐射供冷供热系统的施工安装比较方便简单,造价低,

地面辐射供冷供热为一个系统,其系统新式、盘管管材、敷设方式等都是相同的。本工程盘管的设计与布置,以夏季供冷工况进行,盘管间距控制在150mm,由于库尔勒地区夏季的相对湿度很低,据实测数据为30%左右,空气露点温度大约在15摄氏度,地面供水温度为16摄氏度。可以不考虑湿度的影响,不采取防结露的措施。为了保证室内空气的品质,住户可根据自己的需求在二装时安装室内换气扇,换气次数为不小于1次/小时,换气扇为夏季使用,冬季必须关闭好,防止冷风渗透。

本小区一期为多层住宅小区,面积约5万平方米,由住宅、会所、幼儿园,商场组成,地源热泵为小区提供冷热源,住宅住宅、幼儿园末端采用地板辐射供冷供热系统,会所、商场末端采用半集中式空气处理系统,住宅主立管采用同程式系统,解决每户的水力失调问题,外网也采用同程式系统,解决每个单元建筑水力失调问题。会所、商场建筑为一个系统,室内外管道均采用异程是系统,节约管路造价,阻力平衡由管路平衡阀解决。

商业广场中央空调系统冷、热负荷计算表


序号


项目

面积

m2

单位冷负荷

W/m2

总冷负荷

KW

单位热负荷

W/m2

总热负荷

KW

1

多层住宅楼

42278

40


45


2

幼儿园

1350

80


48


3

商业

33447

100

3345

50

2341

2、卫生生活热负荷计算:

业主每户每天需要100升卫生生活热水,共500户需要150吨卫生生活热水。

生活热水负荷计算如下(按照将10℃自来水加热到45℃卫生生活热水计算)。

热水耗热量:Q=1.163×50×(45-10) =2035.25KW

热水机组每日累计运行12小时,则热水机组制热量为170KW。

3、水源热泵机组选型:

根据以上冷、热负荷计算,确定水源热泵中央空调与供暖系统选用如下设备:

选用:2台高温高效型水源热泵机组(该机组制热量:2106KW/台,制热功率:494KW/台)为住宅楼采暖系统低区供暖;

选用:2台0高温高效型水源热泵机组(该机组制热量:1871KW/台,制热功率:446KW/台;制冷量:1665KW/台,制热功率:253KW/台)为商业广场供暖、制冷。

选用:1台高温高效型水源热泵热水机组(该机组制热量:531KW/台,制热功率:125KW/台)为住宅楼提供卫生生活热水;

机房位置的确定:地源热泵机房设置在负荷的几何中心,并且在机房内采取消声隔振防电磁辐射的措施,减少对小区内住户生活的影响,实际情况是多层系统中心机房单独选址确定,经权衡比较后,多层系统机房确定在网球场地下层,地下总建筑面积为400平方米,层高为梁下3.8米,实际建筑层高为5.1米,详见机房工艺布置图。

室外供热(冷)外网采用直埋管道敷设,管路采用同程式系统,有利于每个单元的水力平衡,减少各个单元的水力失调;每个单元立管同时也采用同程式系统,较少各个用户的水力失调,从工程经济及管路系统平衡设计角度,虽然增加了一些立管的造价,但是解决了水力失调的问题。 为以后的运行效果创造了好的条件。

本设计的运行调节问题,该系统是按照夏季工况进行布管设计,盘管间距为150mm,供回水温度为18/21℃,单位面积供冷量为40W/m2左右。

在夏季住宅客厅实测温度为25摄氏度,

1、 系统性能、经济性能分析

系统冷暖两用,并提供热水,冷暖费用为50元/平方米,生活热水5元/立方米,与同面积的居住面积比较,采暖和夏季制冷费用节约30%并且住户可以节省购买壁挂炉和家用空调的一次费用,平均每户节省开支为2万元左右。由于地源热泵的能效比达到4以上,冬季把储存在地下的热量去处理,通过高效压缩机,变为高品味热能,供冬季取暖使用,实际的运行成本主要是压缩机,及水泵消耗的电能,同样的一度电,通过压缩机可产生至少4倍的热量,提供给住户取暖。

夏季的制冷运行,通过深水离心吸水泵抽取地下水恒温水的,水温为14℃,通过板式换热器交换热量后,室内供水温度为18℃左右,室内回水温度为21℃左右,主要运行费用主要是水泵的电费,没有其他的运行费用,住户反馈意见非常满意,制冷费用少,室内安静,舒适性很好,没有常规空调的吹风感。

2、 总结

地下水式水源热泵在地板辐射供冷供热综合能效比高,节能效果为,地板辐射供冷供热在西北干燥地区有很大的节能前景。











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