全热回收型地源热泵机组在别墅中的设计应用

威能(中国)供热制冷环境技术有限公司 马海峰

在传统建筑中，空调系统耗电常受室外空气温度影响导致耗电增加。空调制冷/供热能耗可占建筑物总能耗的60%。地源热泵系统是一种利用储存于大地中的能量，为建筑物采暖、制冷和提供生活热水的经济环保系统。利用地源热泵系统，理论上可以从大地中免费得到75%的能量，也就是说用户只需支付1 kW的电费就可以得到4 kW的热量。

节能减排、建筑节能是国家节约能源的重点。为了降低建筑对能源资源的消耗水平，提倡利用太阳能、地热能等可再生能源，我司研发生产了三位一体式地源热泵产品，可以满足制冷、供热及生活热水的需求。青岛胶州市某别墅计划使用中央空调系统及热水系统，同时又要求建筑节能，正好适合采用全热回收型三位一体式地源热泵空调系统来节省能源。

1 项目概况

本项目位于山东省青岛胶州市某湖心岛上，项目周围环水，一期工程坐落在湖边，总建筑面积45 400 m2，主要有独栋别墅、双拼别墅和联排别墅等3种形式，共113户。根据与建设单位交流，本项目所有区域考虑地源热泵中央空调系统，要求夏季制冷，冬季制热，且能提供生活热水；整个空调系统设计以实用、高效节能、维护简单、管理方便为原则。

本方案是针对独栋别墅户型进行详细的方案设计，建筑面积约606 m2，使用全热回收型三位一体式地源热泵机组。

2 设计参数确定

2.1 设计依据

(1) GB 50736－2012 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》.

(2) GB 50366－2009 《地源热泵系统工程技术规范》。

(3) GB 50015－2019 《建筑给水排水设计规范》。

(4) GB 50189－2015 《公共建筑节能设计标准》。

(5) GB 50019－2015《采暖通风与空气调节设计规范》。

2.2 设计参数

室外主要计算参数参见GB 50736－2012，室内主要计算参数(青岛市)见表1。

表1 室内主要计算参数

2.3 热水耗热量确定

考虑到生活用水及卫生用水需要，别墅人数按7人计算，每人每日用水100 L，则日用水量700 L。按GB 50015－2019《建筑给水排水设计规范》，本工程热水供水温度按45 ℃设计，夏季热水补水温度为25 ℃，过渡季热水补水温度为15 ℃，冬季热水补水温度为5 ℃。

2.4 空调系统负荷

根据建设方及设计院提供的相应资料，本项目夏季设计冷负荷Q1为44.5 kW，冬季设计热负荷Q2为51.34 kW。

3 空调及热水方案

3.1 主机选择

根据胶州半岛的相关地质资料，比较适合地源热泵工程的建设，供暖、制冷最有效、最经济的方案是采用地源热泵设备及系统。确定选用VWW CN 483/2 P威能全热回收型三位一体式地源热泵机组1台，额定制冷量47.50 kW，制冷输入功率9.87 kW，能效比EER为4.81；额定制热量48.30 kW，制热输入功率13.65 kW，能效比COP为3.54；负载侧水泵流量8.15 m3/h，扬程26 m，功率1.10 kW；负载侧水泵流量9.84 m3/h，扬程30 m，功率1.10 kW；热水侧水泵流量9.84 m3/h，扬程10～15 m，功率0.37 kW，名义产水量1 000 L/h。

夏季制冷工况：负载侧进/出水温度为12/7 ℃，地源侧进/出水温度为25/30 ℃。冬季制热工况：地源侧进水温度15 ℃，负载侧进水温度40 ℃。

热回收侧进/出水温度为25/45 ℃，最高可达55 ℃。

3.2 生活热水

本项目要求全年集中供应生活热水。考虑到夏季制热时冷水机组有大量的余热可以免费利用，所以选用带热回收型的热泵设备，加热卫生热水到45 ℃，产生的热水通过保温水箱储存，可满足整个夏季免费供应热水；冬季地源热泵机组制热运行，同时优先满足生活热水的加热；过渡季节地源热泵机组开启单独制热水。

对于热水储热水箱；按照GB 50015－2019及别墅的实际用水情况(最大用水量700 L/d)，选用1只500 L的热水箱，满足生活热水的需要。

4 地下埋管式换热系统设计

该项目打孔用地较少，设计选用双U型地埋管。地埋管置于建筑外空地下，埋设完毕后地表面再进行绿化。地埋管采用地源热泵专用的PE100管(SDR11)，双U布置；规格De32 mm×3.0 mm，承压1.6 MPa。

地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点，根据相关设计手册及当地的土壤特性、气候条件、地质结构等特点并结合该项目的具体情况，采用竖埋管方式比较可行。

4.1 计算地下换热器最大换热量

按《土壤源热泵系统的设计方法》[1], 夏季向土壤中排放的热量、冬季从土壤中吸收的热量分别为：

式中：Q1——夏季设计冷负荷，44.50 kW；

Q'1——夏季向土壤中排放的热量，kW；

Q2——冬季设计热负荷，51.34 kW；

Q'2——冬季从土壤中吸收的热量，kW；

EER——制冷能效比，取4.81；

COP——制热能效比，取3.54。

经计算：夏季向土壤中排放的热量Q'1=44.50×(1＋1/4.81)=53.75 kW；冬季从土壤中吸收的热量Q'2= 51.34×(1－1/3.54) = 36.84 kW。

可以看出夏季向土壤排放的热量高于冬季从土壤中吸收的热量。地下换热器的最大换热量Q应取Q'1与Q'2的较大值，即53.75 kW。

4.2 计算竖井埋管管长

本设计用管材“利换能力”来计算管长。由于项目用地少，所以为减少打孔，选用双U型地埋管。为准确选用换热能力，本项目选择了3个典型位置，采用进口测试设备，进行了土壤热工参数测试，具体数据见表2。

表2 土壤热工参数测试数据

综上测试结果，以2号测试孔的结果为依据，夏季工况下地埋管每米管长换热量取65 W/m(井深)计算。按照地埋管总管长L=地埋管最大换热量Q/地埋管每米管长换热量[1]，可得：L=53.75×1 000/ 65=827 m，即本项目制冷所需的地埋井总深度L为827 m。

4.3 确定竖井数目及间距

通常竖井深度的选取范围为80～120 m。根据地质勘探，该项目竖井深度取100 m比较合理，故井数目N= 827/100= 8.27口，取整后为8口井。

竖井间距的大小直接影响井与井之间的相互热干扰。间距大热干扰小；反之，间距小热干扰大。实际情况下由于埋管面积有限，不可能无限制地扩大井间距，所以结合本工程的实际情况和以往工程经验，取井间距为4 m。

4.4 计算地埋管占地面积

按上述的8口竖井，以4 m×4 m布置井距，所需地埋管的面积为64 m2。根据甲方提供的平面图纸，场地完全可以满足需要。

4.5 计算管径

按水系统设计要求，主管水流速为1.2～4.5 m/s，支管水流速为1.5～3 m/s；地埋管换热器内管道推荐流速为双U不小于0.4 m/s (建议流速0.4～1.0 m/s) 。

地源热泵主机为VWW CN 483/2 P，地源侧主管水流量为9.84 m3/h，取主管管径De63(有效直径按0.05 m计算)，则主管流速v主=主管水流量/主管有效面积=9.84/3 600/(3.14×0.052/4) = 1.4 m/s。双U支管为直径 De32(有效直径按0.025 m计算)的地埋管，共分8孔，则地源热泵运行时每孔水流量计算过程为：支管水流量=主管水流量/孔数量=9.84/8=1.23 m3/h，支管流速v支=支管水流量/支管有效面积 = 1.23/3 600 /(3.14×0.0252/4) = 0.7 m/s。

通过以上计算可知，管径的选择可以满足相应的流速要求。

4.6 校核管材承压能力

管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用水的静压力和负载时产生的动压[2]。

式中：p——管路承受的最大压力，kPa；

p0——当地夏季大气压力，取99.7 kPa；

p静——重力作用下水的静压力，当竖井深度为100 m时，取980.0 kPa；

p动——负载时产生的动压力，通常以水泵最大扬程30 m的一半计算，得147.0 kPa。

因此，管路最大压力p=99.7＋980.0＋147.0=1 226.7 kPa (约1.2 MPa)。

选用的PE100管材，其最大承压1.6 MPa，可以满足相应管材的承压要求。

5 运行费用计算与分析

5.1 运行费用计算

该项目运行费用主要由水泵运行电费及主机制冷、制热和热水运行电费组成。主机的运行模式主要有以下几种：

制冷模式+热水1模式：制冷模式需计算主机运行能耗、空调末端水泵＋地埋侧水泵电费；此时热泵为全热回收模式，即热水1模式仅计算热回收水泵电费。

制热模式：需计算主机运行能耗、空调末端水泵+地埋侧水泵电费。

热水2模式：需计算主机运行能耗、地埋侧水泵和热回收水泵电费。

表3为空调系统总配电负荷表。从表3可以得出：制冷或制热模式时水泵总额定功率为1.10＋1.10=2.20 kW；风机盘管机组总额定功率为0.72＋0.15＋0.20=1.07 kW；热水1模式时水泵总额定功率为0.37 kW；热水2模式时水泵总额定功率为1.10＋0.37=1.47 kW。

表3 空调系统总配电负荷

热泵主机和风机盘管机组需考虑不同运行负荷下(33.3%、66.6%和100.0%)的功率，例如运行负荷为33.3%时，热泵主机的功率为 9.87×33.3%=3.29kW，风机盘管功率为0.36 kW。

按照前述日用水量700 L，主机名义产水量1 000 L/h，则每天的热水加热时间=日用水量/名义产水量=700/1 000=0.7 h。热水1和热水2模式的运行时间分别为63 h和193 h。

其中每年制冷设为90 d，平均每天工作取8 h共计720 h；每年制热设为120 d，平均每天工作取10 h共计1 200 h。此处的运行时间取值为常规家庭生活习惯的平均值，即累计制冷每天8 h，累计制热每天10 h。不同负荷工况下的运行时间占比分别为30%、40%和30%，例如负荷为33.3%时的运行时间为 90×8×30%= 216 h。则耗电量为(3.29＋0.36＋2.20) ×216=1 263.60 kW·h。

电费按0.55元/kW·h综合计算，不考虑阶梯电价，可以得到运行费用计算表，如表4所示。

表4 运行费用计算

5.2 运行费用分析

由表4可知，地源热泵系统全年制热、制冷及热水总耗电量为24 176.79 kW·h，总电费为13 297.23元，其中制热费用为7 925.94元，制冷费用为3 757.64元，热水费用为1 613.65元。

由此，单位面积每天运行费用指标为：

总耗电量/总面积/总运行天数=13 297.23/606/365 = 0.06元/ (m2·d)；

单位面积制冷运行费用=制冷费用/总面积=3 757.64/606 = 6.20元/ m2；

单位面积制热运行费用=制热费用/总面积=7 925.94/606 = 13.08元/ m2；

每天平均热水运行费用=热水费用/总天数=1 613.65/365 = 4.42元/d。

热泵空调系统的运行费用与主机设备的夏季制冷EER值及冬季制热COP值相关。传统空气源热泵空调的能效较低，如以某常规空气源热泵空调的平均能效比3.0为基准进行计算，则相应的运行费用差异可计算为：制冷3 757.64×(1－3.0/4.81)=1 414.00元，制热7 925.94×(1－3.0/3.54)=1 209.04元，共计节约2 623.04元，地源热泵费用节省比例为2 623.04×100%/(3 757.64＋7 925.94) = 22.45%，即节能率超过20%。

从冬季制热来看，采用地源热泵系统的单价为13.08元/ m2，对照2020－2021年度青岛胶州某热力公司的冬天集中供暖的收费标准30.40元/m2，费用节省比例为(30.40－13.08)×100%/30.40=56.97%，即节能率超过50% 。

6 结语

采用热回收型地源热泵系统制冷、供暖及供生活热水能够达到设计要求，并能比传统制冷、供暖及供生活热水的方式创造更舒适的环境。虽然初始投资比常规空调方式增加20%～40%，但运行期间的能耗减少20%以上；相比传统的集中供热方式，制热能耗减少50%以上。因此，可以认为热回收型地源热泵大大降低了使用能耗，减少了大气污染，具有良好的经济、社会效益。