分散式水源热泵空调在住宅建筑中的应用分析

　　1.工程概况
　　
　　本工程位于陕西省汉中市，总建筑面积约21000㎡。全部为住宅楼，共4栋建筑，其中1、2#楼为多层，3、4#为高层建筑，分为A、B两个户型。经业主反复论证和实际项目考察，空调形式采用分散式水源热泵系统。
　　
　　2. 设计依据及思路
　　
　　本设计以《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）、《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）、《建筑设计防火规范》（GBJ16-87-2003版）、《全国民用建筑工程设计技术措施·暖通空调动力》（2003版）为基本依据。结合汉中市地下水资源丰富的特点，响应国家建设节能、省地型建筑的口号，因地制宜的合理选择空调形式，通过对项目当地资料的收集及周边项目应用情况的分析，本着省投资、低运行费用、高可靠性、调节灵活、便于计费的原则设计分散式水源热泵空调系统。
　　
　　3.分散式水源热泵室内系统设计
　　
　　室内空调系统形式为卧室采用分体式水源热泵机组，室内机采用侧送方式，室外机安装在户内卫生间吊顶内（降低室内噪音），客厅、餐厅采用整体式水源热泵机组，送风方式为侧送。户内空调水系统采用两罐制异程系统，在每户入户管道上安装平衡阀，以利于水系统的平衡，共用立管采用同程设计。
　　
　　3.1 分散式水源热泵地下水系统
　　
　　制冷工况下, 当一次侧（室内侧）冷却水温低于21℃时,蓄水池内潜水泵处于待命状态，当一次侧冷却水温大于等于21℃时,开启蓄水池内的潜水泵,始终使水温低于设定的28℃,保证户内分散式水源热泵的全部冷却水量。当一次侧水温高于21℃时，蓄水池内潜水泵自动启动前，系统自动检测蓄水池水位，如果水池水位高于最高水位时，蓄水池内潜水泵自动启动；如果水池水位低于最低水位时，进水电动阀打开、深井潜水泵启动。经过板式换热器，水源侧的水温低于28℃时，回到地下水池；超过28℃时，回灌到井里。制热工况下,当一次侧（室内侧）水温小于等于10℃时,开启蓄水池内潜水泵，始终使水温高于设定的13℃。当一次侧水温低于10℃时，蓄水池内潜水泵自动启动，系统自动检测蓄水池水位，如果水池水位高于最高水位时，蓄水池内潜水泵自动启动；如果水池水位低于最低水位时，进水电动阀打开、深井潜水泵启动。经过板式换热器，水源侧的水温高于13℃时，回到地下水池；低于13℃时，回灌到井里。
　　
　　3.1.1水源井
　　
　　每口井均为抽、灌两用井，抽、灌两用井不能同时既作抽水井又作回灌井，在某一运行周期内只能作为单一功能井。单口井的水流量不小于60m3/h ,水温为18℃左右,能满足热泵机组的使用要求;水井内设置回灌液位开关,回灌至距地面5m时,强制系统停止回灌,切换为蓄水池蓄水，水位降至8m时,继续回灌。
　　
　　3.2.2节能蓄水池
　　
　　01、节省水源：可充分提取井水热量或释放热量后再回灌至地下，最大限度的节省了水源使用量。
　　
　　02、降低系统的运行费用：井下潜水泵的工作时间为间歇性，总耗水量减少，潜水泵的总工作时间也减少，系统的耗电降低，运行费用也相应降低。如果可利用峰谷电价，在夜晚将蓄水池注满水供白天使用，将大大降低运行费用。
　　
　　03、缓解水井的回灌压力：蓄水池的贮能作用使得井水回灌为间歇性的（只是在水源不能再利用的时候回灌,且短时间内回灌量小），因此可以缓解水井承担回灌任务的工作压力。
　　
　　04、提高水井的使用寿命：由于取水和回灌均是间歇性进行，总取水量减少，总回灌量减少，所以提高了水井的使用寿命。
　　
　　05、自动沉淀泥砂：蓄水池可起到自动沉降作用，延长空调主机及其他设备的使用寿命。
　　
　　4.分体式水源热泵节能计算及环境效益分析
　　
　　4.1家用分体空调家用分体空调冬、夏季每天使用时间按8h计算，夏季使用时间120d、冬季使用时间按60d计，则家用分体空调全年运行费用为506572.8kwh/a（24.12元/㎡·a）。（全年单位建筑面积耗电量48.25kwh/a，电价：0.5元/KWh）
　　
　　4.2 分体式水源热泵
　　
　　电价：0.5元/KWh，系统循环水泵功率60KW，蓄水池潜水泵功率30KW，深井潜水泵74KW。
　　
　　夏季空调使用时间为4个月,冬季空调使用时间为3个月，每月按30d,每天8h小算,由于室内空调负荷随室外环境温度不断变化，因此认为冬夏季空调运行时间的5%为满负荷时间段(冬季36h、夏季48h），冷热量80%部分负荷运行时间为25%（冬季180h、夏季240h），冷热量60%部分负荷运行时间为40%（冬季288h、夏季384h），冷热量40%部分负荷运行时间为20%（冬季144h、夏季192h时），冷热量30%以下（按20%）部分负荷运行时间为10%（冬季72h、夏季96h）。
　　
　　由于水环热泵机组压缩机不是时时刻刻在运转，故机组存在机器运转率，该工程的机器运转率取为70%。
　　
　　4.3分体式水源热泵空调年运行费用计算
　　
　　4.3.1 夏季运行费用
　　
　　（1）分体式水源热泵空调机组运行费用：[（504.56 KW×48h）+（504.56 KW×0.8×240h）+（504.56 KW×0.6×384h）+（504.56KW×0.4×192h）+（504.56KW×0.2×96h）]×0.5元/KWh×0.7（运转率）=100023.897元
　　
　　（2）水泵运行费用：（60KW+30KW+74KW）×0.5元/KWh×960h=78720元
　　
　　4.3.2 冬季运行费用
　　
　　（1）水环热泵空调机组运行费用：[（537.88KW×36h）+（537.88 KW×0.8×180h）+（537.88KW×0.6×288h）+（537.88 KW×0.4×144h）+（537.88KW×0.2×72h）]×0.5元/KWh×0.7（运转率）=79971.99元
　　
　　（2）水泵运行费用：（60KW+30KW+74KW）×0.5元/KWh×720h=59040元
　　
　　4.3.3 年总运行费用
　　
　　年运行费用：（100023.897元+78720元）（夏季部分）+（79971.99元+59040元）（冬季部分）=317755.9元/ 年= 15.1元/㎡·a 。（ 全年单位建筑面积耗电量37.6kwh/a）
　　
　　分体式水源热泵空调系统平均每年的节约电量约为22.4万kwh，折合成标准煤为89.6t。
　　
　　以上计算为该工程在空调运行季节全天投入使用的全部费用，另外空调机组的运转率和运行费用有很大关系，因此同实际使用中的费用存在很大差异。运行费用中潜水泵的计算是按理论满负荷计算，实际使用过程中潜水泵并非满负荷工作，因此实际的运行费用均比上述计算数据小。说明分体式水源热泵空调系统对于住宅类项目是比较适合的。
　　
　　4.3.4环境效益分析
　　
　　该工程采用分体式水源热泵系统与采用家用分体式空调相比，每年可节约标准煤89.6t。采用分体式水源热泵来满足建筑物的冷暖需求，可以节省大量电能和减少矿物燃料的使用，同时可以减少废热、废水和温室气体的排放，减缓城市热岛效应，节省宝贵的水资源，具有极好的环境效益。
　　
　　5.经验及不足
　　
　　（1）在采用分体式水源热泵机组时，应因地制宜的设计合理的系统，尽量采用天然的低品位能源（地下水、地表水、太阳能、岩土体等），确保分体式水源热泵空调系统最佳的节能效果和环保效益。
　　
　　（2）水系统设计尽量采用同程式，考虑到工程造价，一般做法是将主立管采用同程设计，末端系统采用异程设计。
　　
　　（3）分体式水源热泵空调系统不占用有效的建筑面积，可以节约建筑面积，特别是在商业中心区域可以节省出地下车位，增加业主收益，本项目采用分体式水源热泵空调，节省地下室建筑面积80平米左右。
　　
　　（4）本项目利用夜间进行蓄水池蓄热，将大大降低运行费用。
　　
　　（5）分体式水源热泵空调系统的可靠性较高，个别机组出现故障，不影响其他机组的正常使用，比集中式中央空调系统具有很大的灵活性。
　　
　　（6）集中式中央空调系统多采用二管制，因此很难满足同时制冷、制热需求，分体式水源热泵空调系统很好的解决了此问题。根据建筑需要设计更灵活。
　　
　　（7）噪音问题：分体式水源热泵空调机组本身的噪音处理是系统噪音处理的关键，国内外各生产厂家均采取了不同的方法。
　　
　　01，压缩机的形式及安装方式，基本采用减震的软接方式(二重减震措施)。
　　
　　02，冷媒系统的消声设计。
　　
　　03，在机组内部贴消音材料，可以消除噪音的产生。
　　
　　另外在设计安装方面：
　　
　　01，根据工程实际情况可选择分体式机组，例如在住宅卧室，可将室外机安装在卫生间吊顶内。
　　
　　02，机组吊装时采用减震措施并确保机组一定的水平度，防止压缩机因倾斜而震动加剧，并同装修配合好防止震动通过装修龙骨传递。
　　
　　03，系统安装完毕后的调试，确保将问题在调试过程中得到妥善解决。
　　
　　（8）本项目设计中存在的问题：
　　
　　01，设计时潜水泵、系统循环水泵未做变频设计，在低负荷时段水泵功耗较大。
　　
　　02，蓄水池内未做迷宫式水道，池内各温度探头探测温度有较大偏差。
　　
　　03，水源深井潜水泵的设计选型应结合水资源论证报告及水井电测数据选型，本项目深井潜水泵扬程偏大，好在中间采用蓄水池蓄水，短时间内水泵功耗大，但可在短时间内将水池蓄满，中间补水会出现深井泵频繁启动。