關中地區地源熱泵系統應用及節能分析

李曉琳，茹秋瑾，馮建棟，田 佳

(楊凌職業技術學院 水利工程分院， 陜西 楊凌 712100)

1 引言

人類的生存離不開能源，隨著經濟的發展，人們對能源的消耗越來越大，若不采用積極措施，將會導致能源的枯竭和環境問題[1，2]。地源熱泵技術就是專門用來開發地熱能源的一種專門技術，這種用能方式，只消耗少量電能，就能實現將地熱能轉化為建筑用能[1]。采用太陽能、地熱資源等一系列可再生能源代替傳統石化能源已經成為暖通空調領域研究的方向之一[3]。為改變陜西省能源結構的不利情況，陜西省近些年不斷積極探索，推進清潔能源的利用，比如太陽能、地熱能等。

陜西關中地區地處秦嶺北麓，黃土高原南部，兩側高，中間低。屬大陸性半濕潤半干旱氣候，冬冷夏熱，冬季需要供暖，夏季需要供冷，且能源消耗大多數以石化能源為主，尤其是冬季供暖期能源消耗大，受地理條件和氣候的雙重影響，冬季不利于污染物的排放[4]。關中地區多年受霧霾影響嚴重，尤其是西安市多年空氣質量在全國省會城市中排名靠后。

2 地源熱泵系統應用實例

2.1 工程實例

陜西關中地區某公租房項目，占地3.366 hm2，總建筑面積127878.22 m2，其中住宅總建筑面積113305.31 m2。小區自鑿水源井，為小區提供冷熱源，自建水源熱泵機房，為小區提供40～45 ℃熱水。

工程范圍為水源熱泵機房，室外管網(包括供冷供熱管網和水源管網)、水源井、室內管網(包括室內供冷供熱管網和風機盤管)。工程范圍不包括機房土建和高壓供電部分，機房所需面積約480 m2。

小區自鑿水源井，為小區提供冷熱源，自建水源熱泵機房，為小區提供40～45 ℃熱水。

2.2 設計依據

《采暖通風與空氣調節設計規范》GB5019-2003；《住宅設計規范》GB50096-1999(2003年版)；《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ26-2010；《供熱計量技術規程》JGJ173-2009；《城市熱力網設計規范》CJJ34-2010；甲方提供圖紙等其它資料。

2.3 供熱冷負荷計算

小區熱負荷估算：

Q=q×A=113305.31 m2×40 W/m2

=4532.21 kW

(1)

式(1)中，Q為小區總熱負荷，kW；q為單位面積暖執標，W/m2(采暖熱指標q取40 W/m2)；A為供冷面積，m2。

小區冷負荷估算：

Q=q×A×K=113305.31 m2×60 W/m2×0.60

=4078.99 kW

(2)

式(2)中，Q為小區總熱負荷，kW；q為單位面積冷執標，W/m2(供冷指標q取60 w/m2)；K為不同時使用系數(根據本地夏季供冷情況，不同時使用系數取0.6)。

2.4 系統形式

2.4.1 室外

采用支狀管網。水源側水經水源井水泵抽起、通過水源管網、旋流除沙器后到達機房水源側集管，進入水源熱泵主機，回水經機房水源側集管、水源井管網回水源井，小區層高在50 m左右，采用機房直供，中間不增加換熱設備。

2.4.2 室內

室內采用風機盤管系統。

2.5 水量計算

2.5.1 水源側水流量

夏季：

Q=0.86×Q×(1+1/COP)/△t=0.86×4078.99×(1+1/5)/11 ℃=398.63 m3/h

(3)

式(3)中，G為質量流量，單位為kg/h；Q為負荷，單位為W；△t為源水側供回水溫差；COP為機組制冷能效比。

冬季：

Q=0.86×Q×(1-1/COP)/△t=0.86×4532.21×(1-1/4)/6 ℃=487.21 m3/h

(4)

式(4)中，COP為機組制熱能效比。

注：估算階段系統COP制冷取 5.0、制熱取4.0，夏季水源井出水溫度按18 ℃考慮, 冬季水源井出水溫度按15 ℃考慮。

2.5.2 水源井數量

每口井穩定出水量按100 m3/h，穩定回灌量按50 m3/h考慮，則需抽水井5口，回灌井10口，增加1口備用，共需水源井16口。每口井均設置潛水泵，以備交替使用。

2.5.3 負荷側水流量

夏季：

G=0.86×Q/△t=0.86×4078.99/5 ℃

=701.59 m3/h

(5)

式(5)中，△t為末端系統供回水溫差。

冬季：

Q=0.86×Q/Δt=0.86×4532.21/5 ℃

=779.54 m3/h

(6)

2.5.4 機房設備選型

本工程夏季冷負荷4078.99 kW、冬季負荷4532.21 kW，本方案共設1座機房，機房選用2臺水源熱泵機組，單臺供冷量2150 kW，單臺供熱量2323 kW。系統主要配置如下：

熱泵主機： MWH690CC，2臺(制冷量2150 kW，制冷輸入功率433 kW，制熱2323 kW，制熱輸入功率513 kW)。

負荷側水泵：流量430 m3/h、揚程40 m，3臺(2用1備)。

補水定壓裝置：補水量：113305.31 m3×0.9 L/m2×0.01=1.02 m3/h； 補水泵: 6 m3/h ，44 m(兩臺，一用一備)；低位膨脹水箱：有效容積500 L；軟化水箱：有效容積4 m3；軟水器：全自動軟水器。集分水器一套；成組低壓配電裝置一套。

3 節能與環境影響

3.1 節能

本項目利用地下水蘊含的可再生物質，采用先進的工藝設備并采用了節能型設備組件，以優化資源配置，提高經濟效益為宗旨，選擇技術先進與節能的工藝及設備，為公租房項目的居民提供優質的生活條件，使項目增值。

項目全部建成后，為公租房項目11.33萬m2的建筑物集中供熱供冷，供熱負荷4532.21 kW，供冷負荷4078.99 kW。建成后，該系統與燃煤集中供熱+分體空調制冷的系統相比，經過計算對比[2]。每年節省標準煤1166 t，減少CO2排放3102 t，減少SO2排放34.2 t。

3.2 環境影響評價

本項目場址四鄰環境良好，無水體、大氣、土壤污染。

本項目排放標準執行環境空氣質量執行《環境空氣質量標準》(GB3095—1996)中的二級標準；環境噪聲執行《城市區域環境噪聲標準》(GB3096—93)中的2類標準；《工業企業廠界噪聲標準》(GB12348—90)中的Ⅱ類標準；固廢排放按《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》中的相關規定執行；《建筑施工場界噪聲限制》(GB12523—90)中各階段作業噪聲限制；固體廢棄物(辦公與生活垃圾)，由小區統一處理。生活廢水排到小區污水管網經化糞池生化處理后排入城市排水管網排放。

本項目在施工過程中將會產生一定的揚塵、噪聲、施工人員的生活污水及垃圾，對周圍環境會造成一定的影響。應采取相應防治措施，如撒水、擋蓋、運走、規定運輸時間和路線、選用低噪聲設備等方法，以減輕施工期間對周圍環境的影響。

本項目施工結束后，受影響的環境要素基本可以恢復到現狀水平，運營期不會對環境產生污染。

4 結語

以陜西關中地區某公租房項目為實例，進行地源熱泵供暖制冷系統設計。該項目建成后，為公租房項目11.33萬m2的建筑物提供供熱制冷，供熱負荷4532.21 kW，供冷負荷4078.99 kW。建成后，利用該系統與燃煤集中供熱+分體空調制冷的系統進行節能對比，每年節省標準煤1166 t，減少CO2排放3102 t，減少SO2排放34.2 t。節能效果顯著，減少了污染物的排放，為綠色環保建筑的進一步推廣有借鑒意義。 該項目建設過程中，對周邊環境有一定的影響，單影響不大，建成后，受影響的環境要素便可恢復。