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別墅類地源熱泵解決方案

TIME:2018-09-29
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  一、工程概述

  本工程為別墅項目,建筑面積353m2。建議使用綠色環保節能的地源熱泵空調系統。

  二、 設計依據

  1. 參考資料

  《采暖通風與空氣調節設計規范》 GBJ19-87

  《簡明空調設計手冊》

  《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005

  《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》GB50242-2002

  《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005

  《地源熱泵工程技術指南》

  《Ground Water Applications Manual》,Mammoth Inc.

  《Mammoth Catalogues》,Mammoth Inc.

  業主提供的圖紙及資料

  2. 設計參數

  (1)室外空氣設計參數

  夏季:

  大氣壓力:97310Pa

  空調室外點:DB=36.3℃,WB=27.3℃

  通風室外點:DB=32.4℃,RH=58%

  空調室外日平均溫度:32.2℃

  冬季:

  大氣壓力:99360Pa

  空調室外點:DB=3.5℃,RH=82%

  通風室外溫度:5.2℃

  采暖室外溫度:5.1℃

  (2)室內設計參數

  夏季:24±2℃,相對濕度:<60%

  冬季:18±2℃

  三、負荷估算

  冷負荷估算指標

  180~250 W/m2;

  臥室:200W/m2;客廳250W/m2;餐廳:220 W/m2。

  熱負荷估算指標

  一般來講,建筑物的熱負荷也可以采用以下公式估算:

  熱負荷 = 建筑面積 *80W/m2

  負荷總計

  別墅

建筑面積m2 空調面積m2 總冷負荷kw 總熱負荷kw
353 164.3 35.04 28.24

  四、主要設備

戶型 數量 建筑面積(m2) 總冷負荷(kW) 主機選型
別墅 1 353 28.24 YSS26RS/2A 1臺
五、主機參數
機組型號 數量 制冷量(kW) 制熱量(kW) 源水側水量(m3/h) 負載側水量(m3/h) 制冷功率(kW) 制熱功率(kW)
YSS26RS/2A 1 26.2 26.8 5.42 4.5 5.41 7.39
六、單戶輔助設備
序號 設備 參數 數量 備注
1 水泵 流量6.7m3/h,揚程22.5m,N=1.1KW 1 源水側

  七、室內空調系統設計說明:

  室內部分采用集中式地源熱泵系統。

  別墅采用三位一體機加風機盤管的形式,可將主機設于地下室。地源熱泵主機為別墅各房間集中提供冷熱水,以水為冷熱載體,冬夏季通過末端風機盤管為供熱供冷。每個風機盤管都可以獨立控制,風機盤管可配合裝修直接吊于天花內,采用側吹或頂出風方式。

  地源熱泵系統介紹地下換熱器設計

  隨著空調工業的發展,先進的中央空調系統不斷的出現,空調在現代建筑中扮演著越來越重要的角色。人們對空調的要求也不斷提高,節能、環保、靈活成為今后共同追求的目標。近年來,隨著國際經濟技術合作的不斷深入,地源熱泵中央空調系統進入了我國,并通過在工程中的成功運用得到了空調界人士的認可和推崇,成為了我國中央空調發展的趨勢,體現了節能、環保、靈活、舒適的新概念。美國環境?;ぞ忠丫?,地源熱泵系統是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。

  一、地源熱泵系統的組成、工作原理

  圖1 地源熱泵系統組成圖

  地源熱泵系統主要由地源熱泵機組、土壤型換熱器、膨脹水箱、循環水泵、室內風管、水管等組成(見圖1)。地源熱泵機組有水—水和水—空氣兩種型式。地源熱泵機組與空氣源熱泵不同的就是主機無需放在室外。地源熱泵機組可吊裝于衛生間吊頂內、儲藏室或室內其他隱蔽處。土壤型換熱器是一個由高密度塑料管組成的閉式環路。

  循環介質為水或加有防凍液的水溶液。系統夏季運行時,通過地下換熱管中介質的循環流動,將地源熱泵機組冷凝器放出的熱量散發給土壤。冬季運行時埋在地下換熱管中的介質從土壤中吸收熱量并將它傳遞給地源熱泵機組的蒸發器(見圖2)。由于在地表兩米以下的土壤基本上不受大氣環境溫度的影響,而常年保持恒定溫度。冬季遠高于冬季大氣環境溫度。夏季又遠低于夏季大氣環境溫度。因此地源熱泵克服空氣源熱泵的技術障礙??盞饜Ч皇艽篤肪澄露扔跋?,運行穩定可靠,并且效率大大提高,更重要的是不會對周圍環境產生熱與噪聲等污染。是國家鼓勵使用的一種空調形式。

  圖2 地源熱泵系統工作原理圖

  地下埋管型換熱器有以下四種埋管形式(圖3):

  立埋管系統,橫埋管系統,螺旋埋管系統及水池浸埋管系統。

  二、地源熱泵系統的特點及優勢

  1. 高效節能

  地下土壤淺層溫度一年四季相對穩定,熱泵承受的動荷載小,磨損輕,使運行更穩定可靠,熱泵壽命可長達20年,保證了系統的高效性和經濟性。

  冬季地下水與土壤淺層溫度為16~18℃,大容量地表水體溫度為6~14℃,比環境空氣溫度高,所以熱泵供熱循環的蒸發溫度提高,壓縮比小能效比系數提高,與空氣源熱泵及溴化鋰直燃機相比,相當于減少35?50% 以上的能源消耗。

  夏季地下水與土壤溫度為18~20℃,大容量地表水體溫度為22~26℃,其溫度均比環境空氣溫度低,冷凝壓力降低,壓差小效率提高,可以節約用戶40~50% 的空調運行費用。

  2. 一機多用功能

  地源熱泵系統可供暖氣、冷氣實現舒適空調,可取代常規的鍋爐加空調的兩套裝置。在熱源條件充分情況下特定的熱泵機組還可提供生活熱水,達到經濟實惠,安全可靠,一機多用。

  3. 環境效益顯著

  水源熱泵的使用電能,電能本身為一種清潔的能源,但在發電時,消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節能的設備本身的污染就小。設計良好的水源熱泵機組的電力消耗,與空氣源熱泵相比,相當于減少30%以上,與電供暖相比,相當于減少70%以上。

  水源熱泵技術采用的制冷劑,可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質。水源熱泵機組的運行沒有任何污染,可以建造在居民區內,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠距離輸送熱量。

  4. 優勢

  地源熱泵與空氣源熱泵相比,沒有室外機那樣熱氣流污染又破壞建筑物外觀形象。與溴化鋰直燃機及煤鍋爐相比沒有燃燒后二氧化硫及溫室氣體的排放,(是造成大面積酸雨的主要原因)沒有為燃料的存儲所的引發火災及爆炸而擔憂。更沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地。地源熱泵是以水作為傳熱介質與大地土壤進行熱交換,不需要消耗地下水資源,不會對地下水質產生污染。

  地源熱泵系統能充分利用蘊藏于土壤和湖泊中的巨大能量,循環再生,實現對建筑物的供暖和制冷。因而運行費用較低。地源熱泵比風冷熱泵節能40%,比電采暖節能70%。比燃氣爐效率提高48%。地源熱泵系統運動部件要比常規系統少,因而減少維護,系統安裝在室內,不暴露在風雨中,也可免遭損壞,更加可靠,延長壽命。

  地源熱泵系統在運行中無需燃燒,因此不會產生有毒氣體,也不會發生爆炸。由于地源熱泵系統的供冷、供熱更為平穩,降低了停、開機的頻率和空氣過熱和過冷的峰值。這種系統更容易適合供冷、供熱負荷的分區。地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管,壽命可達50年。

  三、地源熱泵系統的應用

  地源熱泵系統的能量來源于自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。該系統無論嚴寒地區或熱帶地區均可應用??曬憷τ迷詘旃?、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。

  四、地下換熱器設計計算

  該建筑中央空調系統采用節能環保的地源熱泵中央空調系統。根據項目所在地的地質勘測和建筑的平面布置情況,其冷熱源采用安裝靈活、易于控制的埋管式土壤源熱泵系統,也稱土壤耦合式熱泵系統。該系統是以水作為冷熱量載體,水在埋于土壤中的換熱管道內與熱泵機組間循環流動,實現機組與大地土壤之間的熱量交換。冬季循環水通過埋在土壤中的高密度聚乙烯管環路,從土壤中吸收熱量,使循環水溫度升高,供給地源熱泵機組。夏季循環水通過地埋管將熱量排放到土壤中,使循環水溫度降低供給地源熱泵機組。通過地源熱泵機組給室內供冷、供熱。

  我們根據該地區的地質結構、地下水位和以往在該地區的實際工作經驗并參照《地源熱泵系統工程技術規范》、國際地源熱泵協會的相關資料以及《地源熱泵工程技術指南》。對建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量情況進行計算。

  1.冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。

  見下表:

夏季冷量(kW) 冬季熱量(kW) 夏季排熱量(kW) 冬季吸熱量(kW)
26.2 26.8 32.75 20.1

  由此可知,夏季的排熱量要大于冬季的吸熱量,所以,地下換熱器計算以夏季的排熱量為依據進行計算。

  確定豎井數目及間距

  我們根據當地的地質結構特點和實際要求,選取豎井深度為100m米(單U)較為合理,孔間距按照4米,孔徑約為130mm~150mm (如果地下有石頭或其他硬物,則需另外考慮),考慮到系統的水力平衡等因素,地下埋管環路設計采用同程式。根據下式計算豎井數目:

  空調地下換熱器設計計算匯總表格如下:

戶型 設計冷量KW 設計熱量KW 夏季排熱量KW 冬季吸熱量KW 孔深m 埋管總長度m 排熱孔數 鉆孔數 埋管面積m2
別墅 26.2 26.8 32.75 20.1 100.00 1023.4 6 6 96

  五、地埋管施工工藝

  地源熱泵立埋管的施工包括土壤鉆孔、埋管、灌漿、管道連接、試壓、清洗劑等內容。具體施工工藝如下:

  a.鉆孔準備

  1.了解并確定土壤地質條件。

  2.確定地下綜合管線分布及設置情況,并做好明顯的標識記號。

  3.平整土地,根據地埋管施工圖,用白灰標示具體鉆孔位置及總管坑槽位置。

  4.確認鉆孔支架打設位置。

  5.確認鉆孔機械電源容量及供給情況。

  6.提供水源至鉆孔現場。

  b.工程鉆孔

  1.根據工程實際情況,隨時填寫記錄表并及時分析土壤實際狀況。無特殊情況,每孔必須填寫四次深度記錄表。

  2.鉆孔直徑130-150mm。

  3.確保鉆孔深度。鉆孔深度以設計為準,并做好記錄。

  4.施工時,可根據工程需要和土壤情況,鉆孔深度可適當增加,并做好記錄便于埋設相應的管道。

  5.鉆孔完畢后,應及時埋設管道并灌漿。

  c.地埋立管施工

  1.管材采用HDPE高密度聚乙烯材料(SDR11),所有的聚乙烯管都要用專用的熱熔設備進行熱熔連接。必須根據生產廠家的說明進行施工。

  2.管道拉直。

  3.下料,根據鉆孔深度確定立埋管深度,采用單U型埋管,每孔兩根管。

  4.單U管制作,采用熱熔工具焊接U型管。

  5.單U管水壓試壓,試驗壓力不小于10Kgf/cm2。

  6.管道檢漏,具體參照《地源熱泵系統工程技術規范》中4.5.2條實行。

  7.檢漏合格后剪掉氣頭,并在管口做好臨時封閉,且?;そ涌誆皇芷蘋?。

  8.填寫試壓驗收記錄。

  9.把撿漏后的U型管子逐漸放入鉆好的孔內,放入時,嚴禁突然放手,否則管子浮起后難以再放入。

  10.放好埋管、灌漿前,應固定埋管,并在孔和管子之間的縫隙放入一些細黃沙并用石塊等固定管口。

  11.嚴格作好到管口臨時封閉。記錄埋管前端編號及尾端編號,確保立管深度與孔深相當。

  d.灌漿

  1.鉆孔結束,放好立埋管后,即開始灌漿。

  2.灌漿應采用專用設備(灌漿泵),通過綁扎好的灌漿管進行。

  3.確保根據灌漿速度,同時提升上拔灌漿管。

  4.在漿液涌出地面后停止灌漿,并拔出灌漿管,用石塊等固定管口。

  5.漿液膨脹凝固需24小時,此前嚴禁進入下一步施工。

  e.地埋橫管施工

  1.根據圖紙及現場要求備料。管道連接同樣需用原廠提供專用熱熔器對管路進行熔接焊接。

  2.立埋管施工完成后,根據設計開挖橫埋管溝槽,深度不宜小于1.5米(具體按設計要求)。溝槽與立管交叉處應特別注意立管?;げ皇芷蘋?。管溝內填充至少200mm厚度的細黃沙,且確保周圍200mm范圍內無石頭及金屬硬物。

  3.管道連接前應確保管道內壁及接口清潔。

  4.待所有接口都熔接好后,整個地埋管系統要充水試壓檢漏,試驗壓力與立埋管試驗壓力一致。穩壓至少2小時應無明顯壓力變化,切無泄露。

  5.系統檢漏合格后,系統排氣、注水。注水時,從回路的一端注水,另一端排氣。切忌兩端同時注水。

  6.橫埋管出地面的管道應保溫,且做防水?;ね飪?。穿墻應按規范設置穿墻套管。

  7.地埋管換熱系統安裝完畢后,且沖洗、排氣及回填完成后,應再進行水壓試驗,試驗壓力與上面一致。

  f.回填

  1.系統試壓合格,確認無漏后,才可以回填土壤。

  2.回填土首層應為至少200mm厚度的細黃沙,且確保其中無石頭及其它硬物;200mm以外用一般土回填

  3.橫埋管在地表下的深度至少為1.5米,回填后在相對標高-0.2米處設置對應的橫管及立管標識。

  g.系統清洗

  系統清洗在水系統設備和管道全部連接完畢后進行。

  清洗步驟

  1、將回水集管上的檢修口軟管接到建筑物供水管上;

  2、將供水集管上的檢修口軟管放入一空桶,打開檢修閥門;

  3、關閉所有回水干管上的關閉閥;

  4、打開所有供水干管上的關閉閥;

  5、打開建筑物供水干管閥門,同時打開第一個回水干管上的關閉閥;

  6、當水開始流出進入桶中時,關閉第一個供水干管上的關閉閥,打開第二個回水干管上的關閉閥;

  7、繼續重復以上步驟,每次一個干管,直至打開所有回水干管的關閉閥,關閉所有給水干管的關閉閥;

  8、關閉建筑物給水。