別墅地源熱泵三位一體設計方案
水源熱泵三位一體機是一種集空調、采暖、生活熱水三種功能于一體的冷熱水機組。與使用冷熱水的末端設備相連接的一側稱為負載側．與冷熱源(地源系統或其他可利用水源)相連接的側稱為源水側。與熱水水箱相連接的一側稱為熱回收側。每一臺機組都可以在一4℃～44℃的源水進水溫度下運行。
一體化機組與常規的水／地源熱泵機組相比，其優勢在于本設備將熱泵機組。負載水泵．生活熱水水泵廈自控系統和連接管路均組裝在一個箱體之內，成為一個緊湊的小型獨立“熱泵機房”。機組增加防凍保護裝置后可在建筑物外部露天安裝。不占用建筑面積．只需與負載側，源水側管路、水泵相接即可使用。不影響環境美觀也不會產生大的噪聲。
一、工程概述
本別墅項目，建筑面積380m2，局部三層結構。空調、采暖面積165平方。功能要求：夏季中央空調系統、冬季地暖采暖系統、全天候生活熱水。選用環保節能的美意地源熱泵空調系統，實現三位一體，舒適節能。
二、 設計依據
1. 參考資料
《采暖通風與空氣調節設計規范》 GB50019-2003
《通風與空調工程施工質量驗收規范》GB50243-2002
《空氣調節設計手冊》 第二版
《建筑給水排水設計規范》
《地面輻射供暖技術規程》，JGJ142-2004
《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005
《地源熱泵工程技術指南》
《水源/地源熱泵應用設計手冊》
《給水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13633
《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》 GB50242-2002
《美國水源熱泵熱能回收系統工程應用手冊》
《水源及地源熱泵空調系統工程設計與應用手冊》
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；書房200；客廳250W/m2；餐廳：220 W/m2。
影視廳：200W/m2 ；衛生間：130W/m2；
熱負荷估算指標：
熱負荷 = 建筑面積 *130W/m2
負荷總計
總計：
建筑面積 380m2
空調地暖面積 165m2
總冷負荷 33.54kw
總熱負荷 21.46kw
四、機組設備參數
|
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） |
|
MSR-J086WLE |
1 |
28.2 |
26.8 |
5.42 |
4.5 |
5.41 |
7.39 |
五、輔助設備水泵參數
|
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 |
六、地源熱泵地下換熱系統設計
地源熱泵系統，是以地表能為熱源，通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低品位熱能向高品位熱能轉移的熱泵系統。地源熱泵系統冬季供暖時，把地表中的熱量“取”出來，供給室內采暖，同時向地下蓄存冷量，以備夏用；夏季制冷時，把室內熱量取出來，釋放到地表中，向地下蓄存熱量，以備冬用，因此說地源熱泵系統是可再生能源利用技術。地源熱泵系統不存在對大氣排熱、拍冷的熱污染和排煙、排塵、排水等污染，是真正的綠色能源。
地源熱泵是目前最流行的空調方式。與傳統的空調相比具有更加節能、運行費用更低、運行工況更加穩定的優點，是實現可持續發展的綠色建筑的有效技術之一。
1、地源熱泵系統的組成
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。
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。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。因此地源熱泵能克服空氣源熱泵的技術障礙。空調效果不受大氣環境溫度影響，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。
地下埋管型換熱器有以下四種埋管形式：立埋管系統，橫埋管系統，螺旋埋管系統及水池浸埋管系統。本方案采用立式埋管，打井深度80-100米。
立埋管系統 橫埋管系統
螺旋埋管系統 水池盤管系統
2、地下換熱器設計計算
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。
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。可以由下述公式計算：
kW （1）
kW （2）
其中——夏季向土壤排放的熱量，kW
——夏季設計總冷負荷，kW
——冬季從土壤吸收的熱量，kW
——冬季設計總熱負荷，kW
——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數
——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數
根據上述負荷估算。根據公式（1）（2）計算夏季的排熱量。
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） |
|
28.2 |
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。
確定豎井埋管管長
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。在實際工程中，我們利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量。
根據我們的工程經驗，夏季工況，土壤的換熱能力為垂直埋管32W/m(管長)。
計算公式如下：
(米) （3）
其中——豎井埋管總長，m
——夏季向土壤排放的熱量，kW
計算地埋管系統豎井總長度為：32.75×1000÷32 =1023.4米
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:
其中——豎井總數，個
——豎井埋管總長，m
——豎井深度，m
則地埋管總數量為：1023.4÷100÷2=5.1個
考慮一定的余量取整后取實際打孔數為6個，設置1個環路。根據管路阻力合理性及環境條件進行室外布管。
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 |
28.2 |
26.8 |
32.75 |
20.1 |
100.00 |
1023.4 |
6 |
6 |
96 |
七、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，且保護接口不受破壞。
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保護不受破壞。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，且做防水保護外殼。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。
七、室內空調系統設計
別墅采用三位一體機加風機盤管的形式，主機設于設備間。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，夏季通過末端風機盤管為室內供供冷。冬季供暖則采用地暖供暖方式，舒適度遠遠高于空調。風機盤管都可以獨立控制，采用側吹或頂出風方式。
詳細內容參見中央空調設計部分（略）。
室內地暖設計：
本設計采用地暖模塊方式鋪設地暖管。地暖管選用D20*2.3型英國勞力特品牌。管間距20cm。
詳細內容參見地暖設計部分（略）
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方案設計施工：上海寶第居安環境工程技術有限公司
上海寶第新能源科技有限公司
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