地源热泵热水系统在国际学校中的应用

1、地源热泵热水系统在国际学校中的应用摘要：通过对地源热泵热水系统在某国际学校实际工 程设计及应用的研究分析，评价了地源热泵热水系统明显的 节能效果，运行费用低廉，无污染排放，符合国家节能减排 的政策。关键字： 地源热泵； 热水系统； 学校建筑； 系统热回收； 节能分析；Abstract: Based on researching and analysing the practical engineering design and application of GSHP hot water system in an international school, this paper evaluate

2、s that the GSHP hot water system is with the characteristics of has significant effect of energy saving, low operating cost, no pollution emission, and meets the national policy of energy saving and emission reduction.Keywords: GSHP ; hot water system; school buildings; sysmatical heat recovery; ene

3、rgy saving analysis中图分类号： G627.6 文献标识码： A 文章编号：1 地源热泵热水系统技术 建筑物中热水能耗已成为排在供暖、空调和照明之后的第四大能耗。在能源紧缺和环境污染问题日益突出的今天， 合理选择生活热水的热源对于建筑节能有举足轻重的作用1.1 地源热泵热水系统的原理 地源热泵技术起始于 1912 年，最近 30 年在欧美工业发 达国家取得迅速发展，已成为一项成熟的应用技术。地源热 泵热水系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水 源热泵机组、地埋管换热器、建筑物内系统组成的热水供应 系统。该技术以自然水体 （湖泊、地下水、地表水 ）、岩土体 （土、 岩石

4、 ）作为热源，通过传能介质 （水或添加防冻液的水溶液 ）， 向热泵提供热量，既可在采暖期向建筑提供空调热水，也可 长期提供生活热水。根据地热能交换系统形式的不同，地源 热泵系统分为地埋管地源热泵热水系统、地下水地源热泵热 水系统和地表水地源热泵热水系统。由于长三角地区已明令 禁止开采地下水，所以国际学校项目采用地埋管地源热泵热 水系统。地埋管热泵热水系统原理见图一所示。1.2 地源热泵热水系统的优势地源热泵技术应用于集中生活热水供应，是一种无污染 的可再生能源的利用形式，具有高效节能、运行可靠、结构 简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点。与其他热水 系统的比较详见表一。地源热泵热水系统在国

5、际学校运用的可行性2.1 自然地理条件 国际学校所处的苏州园区，全年浅层土壤温度稳定在1820 C。非常适合采用地源热泵热水系统。另外据研究显 示，土壤的热物性直接影响着地埋管换热器的换热性能，从 而直接影响着整个系统的能效比 cop 值。土壤传输地热的能 力及存储热能的能力与土壤的含湿量、地下水的流动有很大 的关系。当土壤中富含水分和有地下水流动存在时，土壤总 的传热热阻大大减小，使得土壤具有较高的热交换效率。苏 州地区雨水丰富，土壤的含水率极高，且地下水位较高，为 土壤热交换器闭式地源热泵系统应用提供了得天独厚的条 件。2.2 国际学校热水系统特点 国际学校的地源热泵热水系统与其地源热泵空

6、调系统 共用一套室外地埋管换热器，采用系统热回收原理。系统热 回收原理见图二所示。由图二可以看出，冬季工况下，空调机组和热水机组均 处于制热模式，源侧水均与蒸发器进行热交换，通过室外地 埋管向地下吸热；夏季工况下，空调机组处于制冷模式，其 冷凝器通过室外地埋管向地下排热，而热水机组处于制热模 式，其蒸发器通过室外地埋管向地下吸热。根据这一特点， 国际学校运用系统热回收原理， 通过阀门 T1T4 的切换， 在 夏季运行时，将空调机组冷凝器出来的高温水直接引至热水 机组蒸发器，热水机组蒸发器吸收这部分水的热量后，使水 温降低后再回到空调机组的冷凝器，简单的说，就是利用热 水机组回收空调机组的废热，

7、来生产热水。通过上述系统热回收运行方式，可以提高热水机组的能 效比，减少热水系统运行费用。同时，站在地源热泵空调系 统的角度来说，由于江南地区夏季空调制冷时间长，冬季空 调制热时间短，而且夏季制冷负荷大，冬季制热负荷小，空 调全年运行下来，地埋管系统夏季向地下的排热量远大于冬 季从地下的取热量，从而很容易导致地下热量不平衡，地下 温度将越来越高，使得空调制冷效果大大下降。为了解决这 个问题，通常地源热泵空调系统配备冷却塔，将多余的热量 散到大气中。国际学校项目处在江南地区，空调系统同样也 存在热不平衡问题。由于本项目运用了系统热回收原理，热 水机组可以回收一部分空调机组的废热，有效缓解了地下热

8、 不平衡问题，大大减少了向空气中排放的废热。3 国际学校热水系统设计选型 国际学校热水系统分为两大部分，即生活淋浴热水和泳 池热水。设计选择两台地源热泵螺杆式热水机组，单台制热量为 242.1kW ，分别满足生活淋浴热水需求和维持泳池恒温 需求。两台主机可以互为备用。 生活热水系统配置一台 20 m3 蓄热水箱，泳池热水系统配置一台 15m3 蓄热水箱。具体热 水系统流程图见（图三）所示。生活热水系统控制说明：a）本系统采用时间及温差循环控制原理控制b）当 T25< 48C时 CH-3 启动，当 T25 > 55C时 CH-3 关 闭。c）当 T30 < 38C 时 CH-4

9、 启动，当 T30 > 55C 时 CH-4 关闭。当 T33 < 26C，且 T30-T33 > 5C 时循环泵 P- 15,P-16 启 动。当T33 > 28C时循环泵 P- 15.P-16关闭。国际学校热水系统节能分析4.1 全年累计热水负荷计算：学校寒假时间 : 12 月 11 日 至 1 月 2 日 ，暑假时间 : 6 月 25 日 至 8 月 22 日，全年有 283 天在校时间。以此计算 全年累计热水负荷。其中6、7、8、9 四个月（扣除假期共计63天），自来水温度较高，按照15C计算，15、1012月（扣除假期共计220天）按照5C计算。学校宿舍楼共有

10、 214 个床位，按每人每天 100L 热水 （热水温度60 C）计算，则每日热水量为21.4 m3= 21400L, 般集 中在晚上三个小时使用。教学内一个25m x 21m的泳池，泳池水温全年恒定维持在 28 C,全年需加热维持泳池恒温按 200 天计，平均负荷为 150kW 。则生活热水及泳池热水全年累计负荷为 :1 092 000 kW.h4.2 全年热水机组运行费用计算：所选热水主机能效比 COP 值为 3.5，由此计算热水机组 全年运行耗电量为：1 092 000/3.5=312 000 kW.h热水机组全年运行费用为 （按电费 0.53 元/ kW.h 计算）：312 000 x

11、 0.53 x =165360 元16.5 万4.3 使用其他热源系统全年运行费用比较： 苏州地区常用的热源有电加热、燃油锅炉、燃气锅炉、 风冷热泵等， 其平均热效率分别为 100%、86%、86%、250%， 以此计算国际学校热水系统使用其他能源的运行费用（详见结语： 根据上述计算结果，可知国际学校项目利用地源热泵热 水系统，与使用电加热、燃油锅炉、燃气锅炉、风冷热泵等 热源相比，全年可节省运行费用分别为 47.3 万、 27 万、 5.8 万、 7.6 万。需要说明的是由于不管是地源热泵还是其他热 水系统，末端热水循环、输送部分运行费用基本相当，主要 差别在于热源主机部分的能耗。与空调地源热泵空调系统配 套使用，有效缓解了地下热不平衡问题，大大减