400平米别墅水源热泵.doc

德州亚太集团空调事业部 电话传真别墅400平米 水源热泵投资方案 德州亚太集团空调事业部2010年5月23日 一 项目概述1.1 项目名称 400平米别墅水源热泵工程1.2 项目地点德州1.3 项目概况本项目位于德州，总建筑面积为400m2，室内采用地板采暖，实现冬季制热和全年提供热水，属常规民用建筑舒适性空调，拟采用水源热泵系统提供本项目的制热和热水。二 设计概况2.1 设计原则参照以下国家采暖通风设计标准，以及用户提供的相关数据，暖通空调设计应遵照执行的规范、规定和标准，对此项目进行空调方案初步设计。2.2 设计依据1、公共建筑节能设计标准 GB50189-20052、民用建筑节能设计标准 DBJ14-BT14-20023、采暖通风与空气调节设计手册 GBJ5001920034、民用建筑热工设计规范 GB50176-932.3 室内设计计算参数。室内空气设计参数冬季空调室内设计温度：202热水出水温度：50度三 水源热泵系统介绍3.1 水源热泵系统原理水源热泵是一种利用自然环境中的浅地下水、海水、湖水、河水、生活生产排水或浅层常温土壤等作为能源的高效节能、无污染、低运行成本的即可供暖又可制冷，而且同时还能提供生活热水的新型空调技术。工作原理是通过消耗部分电能，驱动压缩机通过热交换设备，冬季，吸收水中的低品位能源，供给室内采暖或空调；夏季，把室内的热量取出来，释放到水中，达到空调的目的。当采用水源形式时，它只向水中排热或取暖，并不消耗水量也不污染水质，所抽出的水将全部回灌。若采用地热闭式水源形式时，不受周围水资源的限制，应用地区更加广泛。另外，浅层地表中的热量来源于太阳能，是一种可再生能源。简单地说，水源热泵是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，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。 地球是一个巨大的蓄热体，一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。水源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤或地下水中提取冷量，由热泵原理通过空气或水作为载热剂降低温度后送到建筑物中，而冬季，则从土壤或地下水中提取热量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中，从而实现的热交换过程。需要特别指出的是：地热泵中的冷热源不是指地下的热汽或热水，而是指一般的常温土壤、地表水、地下水。3.2 供热空调中使用地热能源的意义（1）节能性意义（属可再生能源利用技术）水源热泵中央空调是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于300米深，一般在50-60米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖、制冷空调。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊等吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能，地表浅层是一个巨大的太阳能集热大器，收集了进入大气层中47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多，它不受地域、资源的限制，真正是量大面广，无处不在，这种储存于地表浅层近乎无限的的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源一种形式。当前能源供需矛盾是世界各国面临的共同性问题，这种矛盾将是长期的，并非短期内所能解决，因此节能工作受到普遍的重视。我国1980年制定的能源方针就指出“开发与节约并重，近期内把节能放在优先地位，对国民经济实行以节能为中心的技术改造和结构改革”。节能的真正含义是充分发挥能源利用的效果和价值，力求以最小数量的能源消费获得最大的经济效益，为社会创造出更多的可供消费的财富，从而达到发展生产、改善生活的目的。集中供热使用地热能源，省去了供热锅炉及其煤耗，节能效果显著，据测算每1万平方米的集中供热面积使用地热能源供热可每年节省约500吨标准煤。水源热泵的能效比和一次能源利用率都远高于其他形式的热泵，能效比一般大于4.0，一次能源利用率则可达到1.32以上。而锅炉集中供热的一次能源利用率仅为0.70。这样就能够实现减少常规能源的消耗并以最少的电能而获得更多的可用能量的目的。（2）经济性意义（属经济有效的节能技术）地能或地表浅层的资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得山东绿特空调系统有限公司水源热泵中央空调系统比传统的中央空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了高效性和经济性。地热能源在供热空调中的应用具有突出节能意义，但节能本身并不是最终目的，节能的最终目的是通过节能技术的应用取得最佳的经济效益。因此，地热水供热和水源热泵的应用，都必须做经济性分析。由于电能价格和燃料价格各地不同，其经济性也就相应地因地而异。设电价X与燃料价格Y之比为m，以J表示实际耗能的价格比，则:其中：b供热锅炉的效率，一般为0.70h热泵的电机机械效率，一般为0.85若热泵的制热系数为h，则只有在h=J时，供热用户获得相同的热量而能源费用相等。例如，即m=4，即电价为燃料价格的4倍时，热泵制热系数必须3.3，才使用户在费用上不吃亏。而水源热泵的供热系数一般都在4以上，电价与燃料价格的比例也逐渐降低，所以水源热泵具有很好的经济性。在实际工程应用中，还要从投资指标、成本指标、盈利指标等方面全面评价节能方案的经济效果。（3）环保性意义化石能源对环境污染严重，燃料燃烧后会产生大量的碳化合物和氮、硫、氧化物。CO2是引起温室效应的主要因素，它对太阳短波辐射透明，但完全吸收地面的低温长波辐射，引起地面大气温度升高，形成温定效应。大气温度升高的直接后果是气候变化异常，每平面升高，生态失衡、物种灭绝，热带病流行，土地荒漠化等问题，直接威胁到人类的生存与发展。我国化石燃料消费特别是民用煤的消费量远远超过发达国家，是日本和美国的30-40倍，并以高硫、高灰分煤为主。氮、硫氧化物则是酸雨的罪魁祸首。NOx和SOx在空气中经过太阳辐射、闪电的作用发生一系列化学反应，反应产物与空气中的水蒸汽结合会形成化学烟雾、酸雨等环境灾害。当前我国的酸雨频率和覆盖面积、酸度呈逐年上升的趋势，全国的酸雨覆盖面积达71.7%。地热水供热和水源热泵的应用可以大大减少化石能源燃料的消耗，取代分散的低效率、高污染的供热锅炉和家庭用的立式手烧炉。这些中小型锅炉由于其规模和经济因素的限制，热效率普遍最低，消烟除尘、烟气脱硫等环保措施差，甚至没有，是主要的污染源。水源热泵应采用环保型制冷剂，养活或消对大气臭氧层的破坏，这在技术上是很容易实现的。水源热泵中央空调系统的污染排放，与空气源热泵相比，减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，机组采用双制冷剂系统，制冷剂充注量较少，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，无排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，更不用远距离输送燃料。3.3 水源热泵系统的主要优点（1）高效节能由于土壤温度一年四季相对稳定，使得热泵无论在制冷或制热工况时均处于高效率状态中。冬季，投入1kW电能，可以得到4kW左右的热能；夏季，投入1kW的电能，可以得到5kW左右的冷量。系统的高效率，压缩机的低能耗，使运行费用大幅减少，只有传统方式的2/3。热泵系统之所以节能，很重要的一点就是换热器位置的设置，传统的空调系统中，不管是水冷或风冷，其换热器对建筑立面造型均起一定的破坏作用。水冷换热器须配置冷却塔，且必须置于大气中，风冷机组也一样，都要暴露于建筑物之上的大气之中，这难免要对建筑立面造型造成不好的影响。风冷换热器和水冷换热器的换热环境均为大气，和大气换热不可避免地受到环境条件变化的影响。在夏季，当室外温度达到40 时，由于换热效率的降低，主机的制冷量将下降20%40%；在冬季，当室外温度下降到-10时，供热量将下降到15%30% ，而且要反复地除霜来保证机组的正常运行。而对于水源热泵机组来讲，换热过程是和大地来完成的，换热对象是1.5m以下的地层，其初始温度大约等于年平均气温，一般在14-18 左右，基本不受外界环境的影响。（2）安全省地热泵系统在冬季供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程，无燃烧设备，避免了有害烟尘和有害物质的排放，从而不存在爆炸、燃烧的隐患。热泵机组运行安全、可靠、稳定，几乎不受天气及环境温度变化的影响，符合环保理念。与燃气和燃油锅炉系统相比，省去了储油设备和燃气管道的敷设，若是燃煤锅炉系统则可以省去锅炉房及与之配套的煤场和渣场，而夏季制冷时则可以省去冷却塔所占面积，大大减少了机房的占地面积，节约了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象，提高了建筑物的使用率。（3）环境保护众所周知，普通空调对环境的影响是不言而喻的，它不仅对大气臭氧层造成严重破坏。夏季，风冷机组将废热排入大气，使室外温度升高，还将水蒸气带入大气中；冬季，风冷机组吸收大气环境中的热量，导致恶劣的大气环境更加恶劣。因此，要保证空调运行对环境不产生任何影响，必须要改变换热对象，即不与大气换热，而变成与大地换热。在换热过程中，地下换热器在夏季将多余的热量排到大地中，在冬季又将热量取回，以达到冬夏取散热量平衡，达到制冷和供暖的目的。3.4 国家对热泵产业的支持（1）能源政策我国一次能源年保有总量（不包括生物质能和新能源）为14亿吨标准煤，其中原煤14.6亿吨，原油1.7亿吨，天然气300亿立方米，水电2400亿kWh，核电250kWh，进口石油46亿吨，火电电力装机容量2.93亿kW（平均每年增加装机容量1500kW）。据2005年统计，我国电厂热效率为32.95%，电厂供热效率为83.68%，能源转换总效率为38.07%。若通过热泵，利用了低位热能，故综合热效率可达到150%170%。对于TES方式，其综合利用率可达到65%80%。中华人民共和国节约能源法第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展。国科学院（88）能字第004号关于印发“热泵在我国开发与应用的可行性论证”的通知中指出，热泵技术是重要的节能手段，对低品位热能的发展和利用具有重要的意义。2004年4月1日，国务院办公厅下发了关于开展资源节约活动的通知中共中央总书记胡锦涛指出：要大力发展节能省地型住宅、全面推广节能技术，制定并强制执行节能、节材、节水标准，搞好资源综合利用，实现经济社会的可持续发展。（2）环境保护政策采用热泵系统，CO2排放量亦明显降低。通过改善热泵性能，降低工质泄漏与使用新工质，热泵将在环境保护上发挥更大的作用。温家宝总理在科技大会上的讲话对规划纲要提出了五个战略重点，其中把发展能源资源和环境保护技术放在了第一位。（3）建筑节能法实施民用建筑节能设计标准后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，结果是大幅度地降低了热泵采暖方式的年运行费用，增加了热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。3.5 水源热泵优点（1）高效节能、经济控制系统采用全自动微电脑控制装置，可根据室内实际使用负荷自动调节压缩机起停机，从而大大节省了用户日后的运行费用。简单地说，用一份电可制造3.5份以上的热量或4份以上的冷量，其冷量、热量直接来源于地下所蕴藏的能量，并归还与地下。能源利用效率为电加热器的3-4倍以上，比一般中央空调节能30%-80%。（2）绿色环保水源热泵是绿色环保型中央空调。空调系统的驱动能采用电能，供热时可省去锅炉，无需燃烧燃料，避免了排烟污染大气；供冷时可省去冷却塔，避免了冷却塔噪声和水的飘失；噪音低，不向室外排放热风，不会造成“热岛效应”，循环液在地下系统中密闭流动，不含有害物质，无任何污染。系统运行时不向周围环境排放COx、SOx、NOx等有害气体，属于真正环保意义的空调。（3）一机多用 水源热泵系统既可冬季供暖、亦可夏季制冷，还可以提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原有的锅炉加空调两套系统。特别是对于同时有供热和制冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且减少了设备的初投资。（4） 运行安全可靠 由于土壤温度一年四季相对稳定，其波动范围远远小于空气温度的波动，加上水源热泵技术，以及精良的主机配置和完善的控制保护手段，使空调系统运行更可靠、更稳定，确保整个系统在各个工况点下的高效和经济性。（5） 节水、省地 、节资既不消耗也不污染水资源，使用过程只不过是向水/水源取热或放热而已。省去了锅炉房和与之配套的煤场、煤渣以及冷却塔和其他室外设备。结构紧凑，体积小，占用空间少，不需要大量的基建投资。（6） 模块化设计机组采用模块化设计，使机组在任何负荷下均能保持最高的输出效率。每个模块又可分为两个或两个以上完全独立的热泵系统，这样一方面能使空调系统更紧凑，更节省空间，且易安装、调节和维护，尤其当机组检修及维护时，并不影响机组总体使用效果；另一方面，可使系统更节能，尤其在气候变化大时，负荷工况随着不同的变化负荷，机组可单台运转，又可多台组合，可根据运行负荷大小自动确定压缩机开启台数，有效地减小对电网的冲击，最大限度的节省了电能，从而延长了机组使用寿命。（7） 控制方便所有空调系统都有微电脑精确控制，主机与循环泵、潜水泵等附属设备均实现联网，联动运行，真正实现机电一体化控制功能，目的是根据冷热负荷情况适当地确定机组的运行台数，使系统自动控制处于高效节能运行，生活热水节能途径是根据生活用水压力的高低来确定供水泵运行转动。用户可独立计费，自主调节水温、室温，调节起停时间或远程监控。而且操作起来简单方便，无需专业人员看管维护，只需按动操作板面上“运行、停止”键。（8）可靠性高、使用寿命长机组采用进口名牌高质量零配件，精心装配而成，可靠性高，维修率低；与传统空调相比，制冷介质工作压力降低1/3，工质不易泄露，压缩机负载减轻。另外由于运行工况稳定，机组运行可靠性好；每次启动时，优先启动运行时间短的压缩机，关机时首先停止运行时间长的压缩机，使各台压缩机磨损程度均等，从而大大地延长了压缩机的使用寿命，设备使用寿命长（20-25年），高于普通中央空调。（9）免年检审批机组不属压力容器，不需消防审批及锅炉年检。四 方案设计4.1 系统负荷设计根据有关国家设计规范及手册，为降低设备初投资，减少设备闲置浪费，从节能和实用角度出发，本工程总冷热负荷情况如下400平米别墅热负荷概算指标取110w/m2， 总热负荷44kw。4.2 主机系统设计从冷热源主机初投资、辅助设备初投资、安装费用、机房土建投资、维护费用、等角度综合考虑，根据本工程实际情况，现提出以下设计方案：方案一、主机选用一台水源热泵机组GSHP-10D提供400平米冬季的制热。方案二、主机选用一台三合一水源热泵机组GSHP-10DR分别提供冬季制热和全年生活热水。4.3 地下水系统设计4.3.1 地下水源的应用条件水源热泵中央空调系统是一种高效、节能、环保型高新技术中央空调产品，但并不是在任何条件下都能应用，其制约条件是电源和水源。目前，我国电力供应充足，电源问题容易解决，因而水源问题是主要制约条件。a地下水温度与水量地下水水温随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温不受太阳辐射影响；本地区地下恒温带一般为15米以下。恒温带以下，地下水温度随深度增加而升高，升高的多少取决于不同的地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为每100米2.5。b地下水源的水质1）含砂量与浑浊度有些水源含有泥沙，有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下回灌会造成含水层堵塞。水源中央空调系统水源含砂量应小于1/20万，地下水浑浊度应小于20毫克/升，如果系统中装有板式换热器，则要求水中固体颗粒物的粒径应小于0.5毫米。因此，水源中央空调系统应安装水源除砂器和“Y”型过滤器，过滤器的目数应大于40目。地下水源的浑浊度一般较小，可不作处理。2）水中的化学成分水中分布最多的离子有七种，即：CL-、HCO3-、SO42-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+，主要气体成分有O2、N2、CO2和H2S等几种。这些化学成分所产生的主要化学性质有酸碱度、硬度、总矿化度和腐蚀性等，对空调机组材质有一定影响。1）酸碱度：水源的酸碱度（PH值）应为6.59.0。2）硬度：水中Ca0含量应小于200毫克/升，水源硬度可以通过安装电磁水处理器解决。3）矿化度：水源的矿化度应小于3克/升。4）腐蚀性：应用于水源中央空调系统的水源，要求CL-100mg/L、SO42-200mg/L、Fe2+1mg/L、H2S0.5 mg/L。如果水源腐蚀性超标应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或钛板换热器。c地下水源的提取地下水源的提取构筑物有管井、大口井、结合井和辐射井等类型。本工程中应当依据实际情况合理选择井的形式及井深，地下水源一般在14-18，因此在保证单井出水量80m3/h左右条件下，尽量控制井深，以节省投资及运行费用。d地下水的回灌1)地下水的回灌可以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡，可以回灌储能，提供冷热源；可以保持含水层水压力，防止地面沉降。水源热泵机组使用后的地下水，只是交换了热量，对水质几乎没有丝毫污染，可以直接回灌，而不污染地下水源。2)管井回灌量大小与水文地质条件、管井质量、回灌方法有关。中细砂含水层中，单位回灌量约为单位出水量的30-50%；粗砂含水层中，回灌量约为50-70%；在砾卵石含水层中，单位回灌量可达80%以上。抽灌量之比是确定抽灌井数的主要依据。3)回灌措施回灌井管路一般由输水管路、用水管路、回灌水管路和扬水管路组成，回灌管路各处要密封。4)回灌井最好在抽水井的地下水流向的上方向。依据以上原则，还须结合当地实际水文地质情况及场地限制，也可以考虑采用抽灌两用井，抽水时同时对井起到回扬作用，确保长期使用的回灌量。4.3.2 地下水井工艺水井是水源热泵中央空调的重要设施，因为它是整个系统的能量来源。为确保它的使用效果、使用寿命和回灌效果，工程实践中通常采取以下措施：使用寿命设计众所周知，水井越用越活，因此出水井工艺主要解决井水含沙量问题；而回水井不但考虑回灌也要考虑淤积，针对这一问题，就使水井兼具出回两种功能，从而在运行过程中实现自动洗井，这样水井寿命一般可达到30年以上，确保水井使用寿命大于主机寿命。防塌陷设计水井之所以会塌陷，是因为回灌不好和上部没有止水。湿陷性、半湿陷性土壤在回灌不好而淤积时容易塌陷，因此水井设计时除了保证回灌也要在水井上部止水，一般采用泥球止水和水泥砂浆止水，使水井上部2040米既不出水也不回水，在水位保持动态平衡的情况下，确保水井周围建筑物不受影响，即打井位置不受场地所限，一般距建筑物5米以外即可。水质净化设计因井水要经过机组提供能量，为防止堵塞和腐蚀，井管要采用钢管和不锈钢滤网（或铜网），同时加装旋流除污器和电子水处理仪，通过物理方式保证水质；同时在水井上部采用井盖密封确保人物通行。井水节能设计对任何建筑物而言，冷热负荷随时都在发生变化，而能量来源井水也应随之变化，否则就会造成电能的浪费。为此，在井水供应方面可采用温度变频控制装置(选配)，一方面节约电能，另一方面通过负荷低谷减少出水量，有助于地下传热的进行，使水温更加恒定。4.3.3 回灌技术综述 基础条件工程所在地的地质结构。如果当地的地质结构为岩层或粘土层，这样的结构既不会出水也不会回水；如果当地的地质结构中存在沙层（粗沙、中沙、细沙、粉沙）、裂岩岩隙、鹅卵石等情况中的一种。则这样的地质结构将会满足给水、回灌水的条件。特别是当遇到裂岩岩隙、鹅卵石的地质结构时，出水和回水都将较为畅通，即能取水就可以回灌水。通常靠自然回流：沙层地质结构同一水井的回灌量约为出水量的1/3以上，当中沙层居多时同一水井的回灌量可达到出水量的3/5以上；裂岩岩隙、鹅卵石的地质结构同一水井的回灌量可达到出水量的9/10以上，一般都能100回灌。因此，解决能否全部回灌只是针对含有沙层地质结构的区域来说的。1）渗透压差没有压差水就不可能从一个区域转移到另一个区域，增加渗透压差可以增加回灌量。2）渗透阻力井壁及填料形成的阻力大小是影响井水回灌的主要因素，减少渗透阻力可以增加回灌量。3）渗透面积没有足够的回灌水流通面积作保证，保证渗透水有足够的通道，水就不可能顺利回灌。因此增大回灌井壁的水流通道，加大渗透面积可增加回灌量。4）增加回灌量的具体措施为保证本工程井水100回灌，在工程实践中通常采取以下措施，确保空调运行中井水全部回灌：加压回灌：通常在施工中将井口密封，井的上部距地面0-40米部分用粘土或水泥沙浆止水，既保证建筑物的地基不受任何影响，又可确保井水在相应压力下不会从井壁和井筒间渗透至地面。利用潜水泵的压力作为井水回灌的动力，增加回灌水的渗透压力，加大回灌量。如果需要，在潜水泵的选型、井水系统的设计中统筹考虑，适当加大潜水泵的扬程，增加回灌压力，更有助于井水的回灌。减少阻力：工程实践中，将回水井的井壁只包不锈钢纱网，不再包棕；加大回填滤料的直径，增加通透系数；加大回水井的开凿直径，增加纵向通透能力，减少粘土层的通透阻力。增加井水的流通面积：工程实践中，将回水井的井壁除上部止水段及最下部沉淀管采用实管外，其余均采用花管，增加流通面积。单井抽灌与群井抽灌相结合：工程实践中，加大抽