热泵空调系统设计方案

设计方案

2012 年7 月30日

1.综述

1.1背景

水地源热泵空调系统是利用水与水地源(地下水、土壤或废热水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把水地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时水地源为“热泵”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时水地源为“冷源”。水地源热泵空调系统通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90％以上的电能或70—90％的燃料内能转化为热量供用户使用，因此水地源热泵空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水地源热泵空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为9—16℃，其制冷、制热系数可达3.5—6.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通空调的50—60％。

水地源热泵空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与常规电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量。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，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。

1.2 国内水地源热泵发展简史

水地源热泵并不是一种新的空调系统，早在20世纪30年代，欧洲就已经出现了工程的应用，当时主要用于冬季的供暖。20世纪70年代，出现能源危机，水地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。由于中国空调技术应用较晚，水地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。

我国在水地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，水地源热泵的应用推广非常缓慢。20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及水地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。

1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了《中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书》，并于1997年又签署了该合作协议书的附件六--《中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书》。其中，两国将水地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。

1998年是我国在·该领域的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了水地源热泵的实验台。其中，1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直水地源热泵装置；1998年湖南大学建设了水平埋管水地源热泵实验装置；1999年同济大学建设了垂直水地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用水地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展水地源热泵的步伐。

1.3 水地源热泵发展趋势

水地源热泵与空调相连接的供热／制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的水地源热泵系统等都是目前水地源热泵系统技术的前沿课题。根据水地源热泵20年来的发展趋势，其系统技术的发展大致有如下三个方向：

(1)综合利用热能的趋势。将来的水地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综合利用，比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等，用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。

(2)一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发，将来的水地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。 

(3)实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高，越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的水地源热泵系统也将是一个发展方向。

1.4 国外水地源热泵的发展

地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（ The geothermal heat pump consortium ）的统计，到 2003 年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为 3720万平方米，瑞典为 2000万平米，德国为 560万平米，加拿大为 435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。

北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商， ASHERE 也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有 CLIAMTMASTER 、 WATER FURNACE 等 ，他们提供符合 ARI 的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为 50 -160 米 。 

在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。而对于大地换热器，欧洲采用的多是双U 型的垂直埋管方式。

1.5 水地源热泵技术在中国的发展优势

1)初期投资费用少。随着改革开放的不断深入，人们生活水症的不断提高，持续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求，从而使水地源热泵这项崭新的技术在中国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到，我国城市的建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅2.4亿平方米。而在建设新建筑之前并入集中水地源热泵系统，其成本要远远低于旧建筑的改造(甚至可以低于一般空调系统!)，这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占了国土面积的70％和全国总建筑面积的50％的国家而言，节省的费用的巨大的。在美国，由于能源相对的便宜(与中国相近)，而人工费用很高，一般一个家庭的安装费用在3000美元左右，水地源热泵仍然具很强的市场竞争力。而我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的基建费用低。基建费用是水地源热泵最主要的成本增加部分。由此可见，我国与国外发达国家相比，初期投资相对要少一些。

2)能够提高城市环境质量。随着人们生活水平的提高，对生活质的要求越来越高，环保意识增强，人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。目前居民对空气污染的关注程度越来越高，城市(包括室内)对人们生活以及身体的影响日益受到重视，在碰到身体不适的时候，很多居民开始考虑空气因素的影响。根据《1997年中国环境状况公报》，我国城市空气质量仍处于较重的污染水平。据统计，世界大气污染最严重的10座城市中，中国就占了7席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。目前我国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤炭的比例占70％左右。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国正在规划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。北京等城市正在考虑以电代煤的方法来解决城市污染的问题。每千瓦电能带来3至4千瓦热量的水地源热泵将是极具竞争力的技术。由于电力是水地源热泵的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，水地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用。可见，这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。

3)能够缓解能源紧张问题。进入新世纪，在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匣乏。我国能源短缺是一个不争的事实，与此同时，我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计，我国总的能源利用率约为30％，这仅相当于发达国家90年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25％，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。我国要在能源每年增长率仅为3％—5％的条件下满足国民经济持续每年增长8％—9％，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调和取暖这一耗能大项上有所改进。就水地源热泵技术而言，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70％来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传人地下所消耗的电力也非常少，因此水地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。

4)受到国家相关的支持。为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国内现有制冷空调的能源消耗，寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术，国家科技部与美国能源部分别代表两国签署了中美两国水地源热泵合作协议，引进和推广美国先进的水地源热泵技术。这对水地源热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。八届常委会第二十八次会议审议并通过了《中华人民共和国节约能源法》，其中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，这也将促进水地源热泵事业的发展。自从我国实施《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，结果是大幅度降低了水地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了水地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。

1.6 水地源热泵技术在中国推广过程中可能遇到的问题

任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑，对于水地源热泵这项新技术同样可能会遇到一些阻力。首先，中国有关水地源热泵的现成技术资料不多，还缺少这方面的设计、安装和维护技术人员，同时，由于在中国生产水地源热泵相关设备的厂家少，人们对它还比较陌生，大多抱着观望的态度，这样的情形不利于这项技术在中国的推广。其次，我国现在还没有出台促进水地源热泵技术发展的相关优惠，这使部分想采用水地源热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。为了鼓励用户采用水地源热泵系统，我国可以提供鼓励性补贴和资助给购买水地源热泵系统的用户，或者采用调整能源价格的方法，使能源价格合理化，给予这些用户一些实惠，鼓励人们采用水地源热泵系统。还要说明的一点是，世界上热泵技术比较发达的北美、北欧和中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对水地源热泵夏季制冷工况研究较少。而我国幅员辽阔，地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地区气象条件差异很大，同样的建筑在不同的地区，其负荷情况可能迥然不同。因此，我们不能照搬外国的技术成果，必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究，使其适合中国的气候特点，这也在一定程度上延缓了这项技术在中国的推广。但可以相信，地热能具有广泛的应用前景，随着人们环保意识的加强和对“绿色能源”的日益重视，水地源热泵系统技术也将得到前所未有的发展。

2. 初步设计方案

2.1 工程概况及暖通空调设计条件

本选题涉及的项目面积一期20万㎡。二、三期未定。先按照一期的面积配置设备。

2.2 气象和地质资料

     夏季室外计算干球温度       35.2℃

夏季室外计算湿球温度       28.2℃

冬季室外计算干球温度       -5℃

年平均温度              16.3℃

一月最冷，月平均气温-5~-8℃；

七月最热，月平均气温25~26℃。

夏季大气压力              100.17kPa

冬季大气压力              102.33kPa

最热月室外计算平均湿度     79％

夏季室外平均风速           2.6m/s

2.3 水地源热泵系统简介

热泵，就像水泵能把低位水提升到高位一样可以把热从低温端传送到高温端。它是一种可以实现蒸发器与冷凝器之间功能转换的机械，实质上是另一种形式的制冷机。水地源热泵（Ground-source heat pump）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，进行能量转换的高效节能空调系统。水地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温热源向高温热源的转移。水地源热泵系统就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与大地进行热交换，或通过中间介质作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行热交换的目的；地上部分的空调器传热过程与

传统的HVAC一样。水地源热泵系统作为一种“绿色空调”，是以大地为热源对建筑进行空气调节的系统。冬天，通过热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑供暖，同时存储冷量，以备夏用；夏季，通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行供冷，同时存储热量，以备冬用。这样可保持地温恒定，冷暖负荷平衡，从而达到节能、环保的要求因此水地源热泵空调系统可解决空气源热泵系统必需室外机及室外机对周围环境产生热污染等问题,并且冬季运行不存在结霜问题,节省了空气源热泵系统除霜所耗的电能,空调效果不受室外气温的影响,运行稳定可靠,是一种国家鼓励使用的适用于夏热冬冷地区居住建筑的节能环保空调系统[14]

2.4 初步设计

2.4.1 污水源热泵系统地下换热器型式确定

污水源热泵系统中，地下换热器根据埋管方式的不同，可分为水平、与竖直埋两种形式，其循环介质完全被密封在射闭的管路中，不受外界环境干扰：其中水平埋管型施工简单，在整个水地源热泵应用中所占的份额也不小，但是相对而言，受外界气候的影响较大，适用于单季使用的情况，对冬夏冷暖联供系统使用者很少，而且施工所占用的场地也比较大，适合场地比较充分的地方建造。根据该项目情况，这里准备采用水平铺设管道系统。

2.4.2 空气处理方案与设备选择

此次设计室内部分采用风机盘管加新风系统，末端设备为风机盘管。采用水－水水地源热泵机组，这种方案的显著优点是：主机安装位置灵活，冷热媒输送管道小，节省建筑使用空间，末端空气处理空气设备有多种形式可供选择[20]。全空气系统由于管道可能占据太大的空间降低了房间的标高及影响屋顶自然采光的要求，因此不予采用。设计过程中采用FP型风机盘管，安装方式采用吊顶安装。

2.4.3 系统划分与气流组织

为了尽量减少风管占用建筑空间，在各层单独设置新风机组。考虑到房间装修，气流组织在顶层采用百叶风口侧送风，侧送下回。而在下面的三层则可以采用百叶风口上送风，上送下回。

2.4.4 设备与管路布置

考虑到建筑的美观、房屋的空间及管道布置问题，故将水地源热泵机组置于建筑物的地下一层，单独设置机房，做隔音降噪措施。

2.4.5 空调系统控制原理简述

水地源热泵空调系统远比常规的家用空调器复杂，但其使用的方便程度必须向家用空调器看齐，才能使之得以推广。即用户只需通过操作遥控板就能控制整个系统的运行。对于整个系统，必须考虑以下几点：一是主机必须能根据对应的末端设备的工作状态和室温进行能量调节，如间歇运行或容量调节；二是主机，热泵，室内设备的风机需在一定的控制逻辑下运行。在启动时，应先启动水泵，一定时间延迟后启动主机和风机，停机则相反。当水泵与机组的对应关系不是“一对一”时，其控制逻辑必须是，只要有一台机组工作，水泵就必须运行，所有的机组停运后，水泵才能停机。

3. 负荷计算

3.1 负荷计算

小区供暖按照地暖设计。室内热负荷按照35W/㎡计。若考虑供暖管路热损，可按照50W/㎡计算。一期面积20万平米。总负荷为：0.05*200000=10000KW。

按照互为备用的原则，选择三台离心式热泵机组，单台制冷量为：10000/3=3333.3KW,约为950冷吨。因此选择三台950冷吨离心式水源热泵机组。

参数如下：

1、采用冷媒：R134a；

2、冷凝器和蒸发器水侧承压1.0  MPa；

3、污垢系数：0.086m2·k/Kw。

4、蒸发器出水温度5～20℃，蒸发器进出水温差4～10℃；  

5、冷凝器最高出水温度为50℃，冷凝器进出水温差4～12℃；

6、启动方式：1. 电压380V：采用星三角启动；2. 电压10kV：采用高压自耦降压启动。

污水侧换热器是水地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个水地源热泵系统能否满足要求和正常使用。目前污水源热泵换热器主要采用水平布管方式。施工时，占用场地大，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管等形式。为保持各环路之间的水力平衡,常采用同程式系统。由于水源测是污水，要做好防腐工作。

4. 投资和经济分析

4.1 水地源热泵机组造价和运行费用

水地源热泵机组型号为LC950MR型， 

其制冷量950RT   

机组本身造价180万 元

    运行时间：冬季供冷2个月，夏季供热4月

水地源热泵机组的制冷功率511，制热功率610

运行费用：

夏季：511×0.52×1元/×8小时/天×3=6377元/天

冬季：610×0.54×1元/×8小时/天×3=7905元/天

4.2方案设计技术经济分析

4.2.1 技术分析

a.节能、运行费用低。深层土地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，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%。按上述设计的水地源热泵系统,其COP 夏季为3.9 ,冬季为3.5 ,远高于空气源热泵,体现了其节能的特性,加上其具有环保与可持续发展的优点,是别墅空调系统的理想选择。传统空调系统的换热器运行效率受环境变化的影响很大。在高温或严寒气候条件下，换热效率会大幅降低。如夏季室温达到40℃时，冷量将下降20％～40％；冬季，室温降到-10℃时，供热量将下降15％～30％，且需反复冲霜来保证机组的正常运行。另外，水地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉-制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。 

b.一机多用，节约设备用房。水地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。机组紧凑、节省建筑空间，减少一次性投资。而且水地源热泵机组可以放置屋顶，安放地面，藏于地下室，其安放位置随建筑需要有多种选择。而传统的空调系统，无论水冷还是风冷系统，其换热器的安放都会对建筑立面造型产生不良影响。如风冷机组需放置屋顶，水冷机组需配置冷却塔置于屋顶。由于都是暴露于大气中，对机组还需有专门的遮阳防雨设施。

c.保护环境。开发推广水地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房，该装置没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，没有任何污染，不会影响城镇的环境质量。水地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。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，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。 

d.利用再生能源，可持续发展。水地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采暖空调系统。地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，利用地热的水地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置”。

12.2.2 经济性分析

①就初投资费用而言，由概算表明，水地源热泵系统的初投资费用要高于传统空调。两者初投资费用中室内部分基本是一致的。不同的是，水地源热泵系统有地下埋管钻孔费用和机组费用，而传统空调器只有机组费用。由于现阶段埋管的管材费用及钻孔施工费用较贵，造成水地源热泵系统初投资高于传统空调。

②就运行费用而言。概算时，计入的运行时间是夏季供冷4个月冬季供热2个月。水地源热泵系统因其机组制冷制热功率小的优点，一年下来运行费用可比传统空调节省近20%。