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空气源热泵作为地暖热源的应用案例分析

日期:2019-3-25 点击:1217

一、工程概述

本工程地处陕西省西安市某县,是西安某技术有限公司工业园新型管道技术应用项目办公楼,总建筑面积约为2974.42m2,建筑高度为20.25m。此建筑需要冬季供暖和夏季供冷、新风通风换气,设有门厅、餐厅、厨房、办公室、会议室、资料室、宿舍、套房、过道、卫生间、楼梯间等区域。其中,夏季制冷区域约为1755m2,冬季供暖区域约为2275m2

二、方案描述

本设计方案中采用某厂空气源热泵,以实现冬季供热、夏季制冷的“供热+供冷”——冷热联供功能。

地板供暖:冬季采用地板辐射供暖,在地板下铺设水管,可使地面温度均匀,室温自下而上逐渐递减,舒适度高,也十分清洁,可以真正做到各个角落都温暖,室内温度更均匀,舒适性更高。

其次,足暖头凉,垂直方向温差极小。暖从足部升起,不燥不热,舒适温暖,符合中医学“凉顶暖足”的养生之道,舒适健康。

地暖设计概况如下:设地面层为水泥或陶瓷砖,地暖盘管为PE-X管,管径为Φ20×2.0,管间距为150mm~200mm,填充层厚度为50mm,模塑聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度为20mm,供回水温差为5℃。

新风系统:新风系统是一种持续而且能控制通风路径的通风换气方式。通过新风系统中风机和气流控制的作用,把室内污浊空气排出,把新鲜空气24小时不间断地送入室内,使密闭空间的空气得到充分更新。

用户可以由侧墙百叶取新风,再由新风空调箱处理后分送到各房间。另外,采用吊装式新风机组,可以在不破坏建筑立面的同时,保证室内装饰美观。

空调系统:门厅、餐厅、办公室、会议室、宿舍、套房等人流密集且人员常驻场所采用风机盘管加新风系统。考虑到房间的使用率,为防止能源浪费,系统采用风机盘管加独立新风系统。当某房间没人时,可单独关闭该房间的风机盘管系统。

三、系统原理

空气源热泵的工作原理是通过消耗少量的电能,把热量从低温区域转移到高温区域。夏天,空气源热泵将室内热量转移到室外,可以实现供冷功能;冬天,空气源热泵吸收室外大自然的热量,然后送到室内以实现供热供暖。

简而言之,空气源热泵就是通过消耗少量的电力来实现热量搬运,从而达到供冷、供热的目的。

分户供暖供冷系统采用的是最新一代的直流变频空气源热泵作为供热、供冷的冷热源。而空气源热泵采用的是直流变频压缩机技术,并且增加了系统的可调控参数,提高了空气源热泵部分负荷时的性能,同时用柔性控制代替了传统空气源热泵的频繁起动、停机控制,减少了系统对电网的冲击和室内温度的波动,从而达到了静音、节能的效果。

直流变频技术,通过使用高效率换热器、双转子变频压缩机和电子膨胀阀精准控制冷媒系统,使得空气源热泵适用于低至-25℃的严寒气候。在不同的运转状态下空气源热泵能力都可自动调节,始终保持在不同环境温度和不同室内需求下,自动调节最高能效运行,克服了设备频繁开、停所造成的舒适度下降、压缩机寿命减少等缺点。

从节能性和舒适性的角度上看,直流变频空气源热泵在适应超低温环境后的正常运行,最高热能效比可达4.7,与普通定频空气源热泵有着明显的优越性。

四、气象参数

本设计是根据当地气候、环境和建筑进行计算后,对某一房间或空间内的温度、湿度、洁净度和空气流动速度等进行调节与控制,从而为用户创造安全、环保、舒适、节能的和谐环境。本设计工程位于陕西西安,其计算参数如下所示:

(一)室外计算参数

通过查询《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736-2012)可得出西安市室外空气计算参数值见表1:

(二)室内计算参数

门厅、餐厅、办公室、会议室、宿舍、套房等作为人员密集区和人员久留区需要实施供热和供冷。各区域的室内计算参数见表2:

(三)负荷计算

在进行直流变频空气源热泵选型时,要同时考虑供冷量和供热量。供冷量为空调区域所需的最大冷负荷,供热量由建筑所需供暖区域的热负荷构成。

在选择空气源热泵时,要在满足设计冷负荷和热负荷的同时增加10%的富裕量。这是由于进行负荷计算时,配管的公共通道部分未考虑进来。实际上,冷/热量在通过公共配管通道时,总会损失一部分冷/热量。

冷负荷由人体、灯光、设备、食物等冷负荷和外围护结构(外墙、外窗和外门)及内围护结构(内墙、内窗、内门和楼板等)的得热组成。经负荷计算及规范得知,保温办公综合楼建筑的空调冷负荷指标为162.38W/m2,符合要求。

空调区域的冷负荷汇总见表3:

热负荷由外围护、内围护结构的基本耗热量及其附加耗热量和冷空气渗透耗热量组成,冬季供暖的室内设计温度设为20℃,据经验计算及规范、负荷计算和规范得知,保温办公综合楼建筑的供暖热负荷指标为79.43W/m2,符合要求。

供暖区域的热负荷汇总见表4:

五、设备选型

(一)主机选配

经负荷计算可知,该办公楼夏季制冷的设计冷负荷为214.545kW、新风冷负荷为70.401kW,冬季供暖的热负荷为180.691kW。根据用户的需求,本系统制订冷热联供方案,即中央空调供冷/供热、地板辐射供暖。

考虑到实际情况,可采用以下两个方案中的一个。

方案1:集中供暖供冷系统,采用多套空气源热泵模块机供应室内冷、热负荷,多套热泵模块机供应新风冷负荷,新风空气处理机组分层各设置一台。方案选用5套50kW变频别墅机供六层风机盘管供冷、地板供暖,2套40kW变频别墅机供新风机组。

方案2:分户供暖制冷系统,根据建筑各区域的使用功能区分,分成多个区域分别选配模块机供暖供冷,多套空气源热泵模块机供应新风冷负荷,新风空气处理机组分层各设置一台。因此,方案可以选用1套40kW变频机+1套50kW变频别墅机供一层至三层的西边办公区(冷负荷为70.027kW),选用1套40kW变频机供二层至三层的东边宿舍区(冷负荷为35.361kW),选用1套50kW变频机供四层区域(冷负荷为39.336kW),选用1套50kW变频机供五层区域(冷负荷为38.412kW),选用1套40kW变频别墅机供六层区域(冷负荷为32.37kW),共计3套40kW别墅机和3套50kW机供六层风机盘管供冷、地板供暖,选用2套40kW变频机供新风机组。

优缺点:选用方案一,设备初投资略低,但是集中式系统控制较为繁杂,且不可避免的会有部分的能源浪费(建筑不同区域的使用时间差异较大),增加部分运行费用;选用方案二,初投资略高,但是分区系统控制较为简易,同时能节省部分运行费用。

例如,40kW、50kW直流变频机内机,参数见表5:

例如,10kW、20kW直流变频水盒子外机,参数见表6:

性能特点如下:

1、先进的直流变频技术,160V~260V超宽电压启动运行,适用范围更广。

2、超高能效比符合欧洲A+能效标准,其中-20℃能效比大于2.0,冬季平均能效比3.0以上。

3、-25℃超低温照常运行。

4、R410A环保冷媒,不含氯元素,不会与臭氧发生反应,即不会破坏臭氧层。

5、主机可放在室外露天运行,减少机房的建设。

6、30Hz低频启动恒温节能,100Hz超高频率运行制热快速强劲;普通定频空气源热泵每次启动压缩机,需用正常功耗的4~6倍,并且反复启动的耗电量大,而直流变频热泵低速运转保持恒温,无需反复启动,因此起到了节能的效果。

7、双转子永磁直流压缩机,没有线圈/绕组,直接省却了三相交流异步电机转子的电流消耗。

8、永磁无刷直流电机驱动,用数字化的芯片按负载要求来驱动压缩机变为现实压缩机,当运转达到设定温度后,自动降频在低频范围内也能进行高效运转,该性能是直流变频空调节能的次要因素。

9、供冷、供热快及调温速度快,当室温和设定温度相差较大时,变频空调一开机,即以最大的功率工作,使室温迅速上升或下降到设定温度,制冷效果和制热效果比常规空调快1~2倍。

变频空调采用电子膨胀节流技术,微处理器可以根据设置在膨胀阀进出口、压缩机吸气管等多处的温度传感器所收集的信息来控制阀门的开启度,以达到快速供冷、供热的目的。

10、采用模糊变频除霜技术,通过智能除霜逻辑不断监控除霜要求,同时还能自动调节除霜间隔。

空气源热泵系统特点:

1、提供冷水和热水,属于新的供冷供暖方式。

空气源热泵技术:一机两用,冬季可在-25℃的环境中正常供热,实现冬季供暖,夏季供冷,是理想的供冷方式。而且不需锅炉,各类建筑均可方便实施供暖,以提高建筑的舒适性。

2、节省建筑空间,节省室内有效面积。

空气源热泵不需机房,主机直接放置于屋顶,不必专门建造冷冻机房,可大大节省室内有效面积。

3、系统简单,节省投资,而且系统维护方便。

空气源热泵采用风冷模式,可省去冷却水系统,即不需要设计安装冷却塔、冷却泵及相关管道,整个中央空调系统设计简单,施工方便,安装快捷。机组组合方便,选型灵活,互为备用,运行经济,可分期投资。

4、运行经济,费用低。

空气源热泵采用热泵技术,输入1kW电,可得到3kW~4kW以上的冷和热。使用电能,运行费用仅相当于溴化锂直燃机(燃油型)1/2到3/5。

模块化设计:当空调负荷变化时,电脑控制机组输出的冷(热)量始终与空调负荷保持最佳匹配,可最大限度地节省能量,降低运行费用。

5、环保清洁。

空气源热泵供暖是用电能驱动,与空气换热,效率高,没有任何污染与排放。

(二)风机盘管选配

由负荷计算表可知,各空调房间的室内冷负荷在增加20%~50%的富裕量后,可根据供冷量进行风机盘管的选型;增加富裕量可使得供冷量的输出不受风机盘管限制,以满足室内要求。其中,冷负荷由围护结构、人员、照明、设备等组成,其供冷量由风机盘管提供。门厅、餐厅、会议室、办公区人员比较密集,故冷负荷比较大,所需供冷量也比较大。

风机盘管选型大小见表7:

(三)地暖管的选择

1、地暖管管径

(1)在水阻力不超限的情况下,水流速度越大管道内越不容易积气,有利于减小传热热阻从而增加散热量。

一般管道内水流速度不得小于0.25m/s,一般流速应在0.25m/s~0.5m/s之间为宜,分集水器内的水流速一般不宜超过0.8m/s,过小的流速会影响散热量,过大的流速则会增加水泵的负担,且水流噪声会较明显。

(2)一般要求在任何情况下系统水流量不得小于系统额定水流量的60%,如果实际中有可能出现流量小于60%的情况,需要加装压差旁通阀或者其他旁通措施,否则可能导致机组保护。

(3)从减少加热盘管的水侧阻力及提高采暖效果的角度考虑,加热管道宜选择Φ20×2.0管道;从施工安装方便的角度考虑,加热管道宜选择Φ16×2.0管道,根据工程实际情况选择合适的方案。

2、地暖管长度

加热盘管的长度和环路简易计算(例:供暖房间内面积10m2,分集水器与供暖房间连接距离10m),见表8。

加热盘管长度建议:每环路加热盘管长度宜控制在60m~80m之间,最长不应超过100m,各环路长度宜相等或相近,管长差值应控制在15m内。

3、地暖管材质

PE-X:交联聚乙烯,力学性能好,耐低温和高温。但是没有热塑性,不能采用热熔接,通常采用卡式连接,是目前欧洲在地暖系统中使用量最大的一个品种。而且进口的PE-X和国产的PE-X差价很大,低价位的产品应用存在一定的风险。

PE-RT:中密度聚乙烯,力学性能好,耐应力开裂,低温冲击,耐水压,还有耐热蠕变的性能。具有可以热熔连接、原料性能稳定可靠和柔韧性好等优点,其综合的优良特性使之在地板辐射采暖领域中具有一定的竞争力,而且价格适中。

PB:聚丁烯,管材最柔软,相同压力下,管壁设计最薄,是当前几种用于热水的塑料管中价格最贵和可靠性最高的品种。

由于供暖系统中渗入氧会加速系统的氧化腐蚀,选择PB、PE-X、PE-RT塑料管道时宜选择含有阻氧层的管道。

六、系统确定

本设计采用集中式系统(选用5套50kW变频机供六层风机盘管制冷、地板供暖,选用2套40kW变频机供新风机组)或采用分区式系统(3套40kW别墅机和3套50kW别墅机供六层风机盘管供冷、地板供暖;选用2套40kW变频别墅机供新风机组),以满足西安六层办公楼的中央空调供冷/供热、地板供暖需求。

夏季:采用中央空调风机盘管水系统制冷。当空调水系统长时间使用时,空气中的水分也不容易丢失,不会感到干燥。而且水系统管路不受长度和高度的限制,由水泵扬程决定。风机盘管可任意选择安装方式,针对生活习惯安装布置,水管长度不受限制使得空调可以安装在舒适性最佳的位置,因地制宜调节出风和回风方式,气流组织好,使得房间内温度较为均匀,可增强房间的舒适性。

冬季:采用地板辐射供暖,即便是寒冬,也享受着自下而上的温暖,温度均匀,不再被寒冷所困扰。

空气源热泵智能控制:本设计所选设备均采用智能变水温控制技术,系统可根据环境温度智能调节供水温度,多级智能控制,保持室内温度稳定,避免室温过冷或过热,时刻保持室内稳定舒适,并且能根据室内需求智能调节主机运行数量。

七、运行费用预估

变频水盒子参照电加热模式,按照综合能效率3.5计算。设电单价为0.5元/度,夏季按全天8小时运行计算,冬季按全天16小时运行计算。

20kW变频水盒子夏季高频耗电量为7kWh,低频耗电量为2.2kWh。即一天的运行费用为8.8元~28元,预计月运行费用为264元~840元。冬季高频耗电量为5.62kWh,低频耗电量为2.1kWh。即一天运行费用为16.8元~44.96元,预计月运行费用为504元~1348.8元。

由此可知,当电单价为0.5元/kWh,夏季按全天8小时运行计算,冬季按全天16小时运行计算时,集中式系统(2套40kW变频机+5套50kW变频机)的月平均运行费用预计为:

夏季:综合运行费用约9100元/月(运行费用范围约为:4356元/月~13860元/月)。

冬季:综合运行费用约15300元/月(运行费用范围约为:8316元/月~22255.2元/月)。

分区式系统(5套40kW变频机+3套50kW变频机)的月平均运行费用预计为:

夏季:综合运行费用约9660元/月(运行费用范围约为:4620元/月~14700元/月)。

冬季:综合运行费用约16200元/月(运行费用范围约为:8820元/月~23604元/月)。

如室内人员数量过多,而且室外又相对而言很热或很冷时,室内冷负荷可能会越来越大,热负荷可能会越来越小。另外,主机会在感应到室内温度达不到设计温度后,在低频、中频、高频之间进行变频调节,使得室内温度达到设计温度,为用户提供舒适的环境。由此可知,主机会根据室内情况进行变频,能有效为用户节省电费。除此之外,月运行费用与用户使用时间的长短也有很大的关系,故对此设计的月运行费用难以估计。

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