别墅地源热泵三位一体设计方案

      水源热泵三位一体机是一种集空调、采暖、生活热水三种功能于一体的冷热水机组。与使用冷热水的末端设备相连接的一侧称为负载侧．与冷热源(地源系统或其他可利用水源)相连接的侧称为源水侧。与热水水箱相连接的一侧称为热回收侧。每一台机组都可以在一4℃～44℃的源水进水温度下运行。

      一体化机组与常规的水／地源热泵机组相比，其优势在于本设备将热泵机组。负载水泵．生活热水水泵厦自控系统和连接管路均组装在一个箱体之内，成为一个紧凑的小型独立“热泵机房”。机组增加防冻保护装置后可在建筑物外部露天安装。不占用建筑面积．只需与负载侧，源水侧管路、水泵相接即可使用。不影响环境美观也不会产生大的噪声。

一、工程概述
      本别墅项目，建筑面积380m2，局部三层结构。空调、采暖面积165平方。功能要求：夏季中央空调系统、冬季地暖采暖系统、全天候生活热水。选用环保节能的美意地源热泵空调系统，实现三位一体，舒适节能。

 二、 设计依据

 1. 参考资料
      《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
      《空气调节设计手册》 第二版
      《建筑给水排水设计规范》
      《地面辐射供暖技术规程》，JGJ142-2004
      《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005
      《地源热泵工程技术指南》
      《水源/地源热泵应用设计手册》
      《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13633
      《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》 GB50242-2002
      《美国水源热泵热能回收系统工程应用手册》
      《水源及地源热泵空调系统工程设计与应用手册》

      2. 设计参数
     （1）室外空气设计参数
      夏季：    

大气压力:97310Pa    

空调室外点:DB=36.3℃,WB=27.3℃    

通风室外点:DB=32.4℃,RH=58%    

空调室外日平均温度:32.2℃  

冬季：    

大气压力:99360Pa    

空调室外点:DB=3.5℃,RH=82%    

通风室外温度:5.2℃    

采暖室外温度:5.1℃

（2）室内设计参数 

 夏季：24±2℃，相对湿度：＜60%

 冬季：18±2℃

      三、负荷估算
      冷负荷估算指标:
      180～250 W/m2；
      卧室：200W/m2；书房200；客厅250W/m2；餐厅：220 W/m2。
      影视厅：200W/m2 ；卫生间：130W/m2；
      热负荷估算指标：
      热负荷 = 建筑面积 *130W/m2
      负荷总计

总计：

建筑面积        380m2   

空调地暖面积    165m2

总冷负荷        33.54kw

总热负荷        21.46kw

四、机组设备参数

五、辅助设备水泵参数

六、地源热泵地下换热系统设计

      地源热泵系统，是以地表能为热源，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。地源热泵系统冬季供暖时，把地表中的热量“取”出来，供给室内采暖，同时向地下蓄存冷量，以备夏用；夏季制冷时，把室内热量取出来，释放到地表中，向地下蓄存热量，以备冬用，因此说地源热泵系统是可再生能源利用技术。地源热泵系统不存在对大气排热、拍冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染，是真正的绿色能源。
      地源热泵是目前最流行的空调方式。与传统的空调相比具有更加节能、运行费用更低、运行工况更加稳定的优点，是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。

1、地源热泵系统的组成
      地源热泵系统主要由地源热泵机组、土壤型换热器、膨胀水箱、循环水泵、室内风管、水管等组成。
      土壤型换热器是一个由高密度塑料管组成的闭式环路。循环介质为水或加有防冻液的水溶液。系统夏季运行时，通过地下换热管中介质的循环流动，将地源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤。冬季运行时埋在地下换热管中的介质从土壤中吸收热量并将它传递给地源热泵机组的蒸发器。由于在地表两米以下的土壤基本上不受大气环境温度的影响，而常年保持恒定温度。冬季远高于冬季大气环境温度。夏季又远低于夏季大气环境温度。因此地源热泵能克服空气源热泵的技术障碍。空调效果不受大气环境温度影响，运行稳定可靠，并且效率大大提高，更重要的是不会对周围环境产生热与噪声等污染。
      地下埋管型换热器有以下四种埋管形式：立埋管系统，横埋管系统，螺旋埋管系统及水池浸埋管系统。本方案采用立式埋管，打井深度80-100米。

                   立埋管系统                                                              横埋管系统

                          螺旋埋管系统                                                  水池盘管系统

2、地下换热器设计计算           
      根据项目所在地的地质勘测和建筑的平面布置情况，其冷热源采用安装灵活、易于控制的埋管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统。该系统是以水作为冷热量载体，水在埋于土壤中的换热管道内与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。冬季循环水通过埋在土壤中的高密度聚乙烯管环路，从土壤中吸收热量，使循环水温度升高，供给地源热泵机组。夏季循环水通过地埋管将热量排放到土壤中，使循环水温度降低供给地源热泵机组。通过地源热泵机组给室内供冷、供热。
      我们根据该地区的地质结构、地下水位和以往在该地区的实际工作经验并参照《地源热泵系统工程技术规范》、国际地源热泵协会的相关资料以及《地源热泵工程技术指南》。对建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量情况进行计算。
      冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：

         kW           （1）

        kW           （2）

其中——夏季向土壤排放的热量，kW
——夏季设计总冷负荷，kW
——冬季从土壤吸收的热量，kW
——冬季设计总热负荷，kW 
——设计工况下水源热泵机组的制冷系数
——设计工况下水源热泵机组的供热系数
根据上述负荷估算。根据公式（1）（2）计算夏季的排热量。

  见下表： 

       由此可知，夏季的排热量要大于冬季的吸热量，所以，地下换热器计算以夏季的排热量为依据进行计算。

确定竖井埋管管长
      地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。在实际工程中，我们利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量。
      根据我们的工程经验，夏季工况，土壤的换热能力为垂直埋管32W/m(管长)。
      计算公式如下： 

               (米)                      （3）

其中——竖井埋管总长，m
——夏季向土壤排放的热量，kW
计算地埋管系统竖井总长度为：32.75×1000÷32 =1023.4米

确定竖井数目及间距
      我们根据当地的地质结构特点和实际要求，选取竖井深度为100m米（单U）较为合理，孔间距按照4米，孔径约为130mm~150mm (如果地下有石头或其他硬物，则需另外考虑)，考虑到系统的水力平衡等因素，地下埋管环路设计采用同程式。

根据下式计算竖井数目:

其中——竖井总数，个
——竖井埋管总长，m
——竖井深度，m
则地埋管总数量为：1023.4÷100÷2=5.1个
      考虑一定的余量取整后取实际打孔数为6个，设置1个环路。根据管路阻力合理性及环境条件进行室外布管。

空调地下换热器设计计算汇总表格如下：

七、地埋管施工工艺
      地源热泵立埋管的施工包括土壤钻孔、埋管、灌浆、管道连接、试压、清洗剂等内容。具体施工工艺如下：  
a.钻孔准备
1.了解并确定土壤地质条件。
2.确定地下综合管线分布及设置情况，并做好明显的标识记号。
3.平整土地，根据地埋管施工图，用白灰标示具体钻孔位置及总管坑槽位置。
4.确认钻孔支架打设位置。
5.确认钻孔机械电源容量及供给情况。
6.提供水源至钻孔现场。

b.工程钻孔

1.根据工程实际情况，随时填写记录表并及时分析土壤实际状况。无特殊情况，每孔必须填写四次深度记录表。
2.钻孔直径130-150mm。
3.确保钻孔深度。钻孔深度以设计为准，并做好记录。
4.施工时，可根据工程需要和土壤情况，钻孔深度可适当增加，并做好记录便于埋设相应的管道。
5.钻孔完毕后，应及时埋设管道并灌浆。
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专用的热熔设备进行热熔连接。必须根据生产厂家的说明进行施工。
 2.管道拉直。
 3.下料，根据钻孔深度确定立埋管深度，采用单U型埋管，每孔两根管。
 4.单U管制作，采用热熔工具焊接U型管。
5. 单U管水压试压，试验压力不小于10Kgf/cm2。
 6.管道检漏，具体参照《地源热泵系统工程技术规范》中4.5.2条实行。
 7.检漏合格后剪掉气头，并在管口做好临时封闭，且保护接口不受破坏。
 8.填写试压验收记录。
 9.把捡漏后的U型管子逐渐放入钻好的孔内，放入时，严禁突然放手，否则管子浮起后难以再放入。
10. 放好埋管、灌浆前，应固定埋管，并在孔和管子之间的缝隙放入一些细黄沙并用石块等固定管口。
 11.严格作好到管口临时封闭。记录埋管前端编号及尾端编号，确保立管深度与孔深相当。
d.灌浆
1.钻孔结束，放好立埋管后，即开始灌浆。
2.灌浆应采用专用设备（灌浆泵），通过绑扎好的灌浆管进行。
3.确保根据灌浆速度，同时提升上拔灌浆管。
4.在浆液涌出地面后停止灌浆，并拔出灌浆管，用石块等固定管口。
5.浆液膨胀凝固需24小时，此前严禁进入下一步施工。
e.地埋横管施工

1.根据图纸及现场要求备料。管道连接同样需用原厂提供专用热熔器对管路进行熔接焊接。
 2.立埋管施工完成后，根据设计开挖横埋管沟槽，深度不宜小于1.5米（具体按设计要求）。沟槽与立管交叉处应特别注意立管保护不受破坏。管沟内填充至少200mm厚度的细黄沙，且确保周围200mm范围内无石头及金属硬物。
 3.管道连接前应确保管道内壁及接口清洁。
4. 待所有接口都熔接好后，整个地埋管系统要充水试压检漏，试验压力与立埋管试验压力一致。稳压至少2小时应无明显压力变化，切无泄露。
 5.系统检漏合格后，系统排气、注水。注水时，从回路的一端注水，另一端排气。切忌两端同时注水。
 6.横埋管出地面的管道应保温，且做防水保护外壳。穿墙应按规范设置穿墙套管。
 7.地埋管换热系统安装完毕后，且冲洗、排气及回填完成后，应再进行水压试验，试验压力与上面一致。

f.回填

1.系统试压合格，确认无漏后，才可以回填土壤。
2.回填土首层应为至少200mm厚度的细黄沙，且确保其中无石头及其它硬物；200mm以外用一般土回填
3.横埋管在地表下的深度至少为1.5米，回填后在相对标高-0.2米处设置对应的横管及立管标识。

g.系统清洗

 系统清洗在水系统设备和管道全部连接完毕后进行。
 清洗步骤
 1、将回水集管上的检修口软管接到建筑物供水管上；
 2、将供水集管上的检修口软管放入一空桶，打开检修阀门；
 3、关闭所有回水干管上的关闭阀；
 4、打开所有供水干管上的关闭阀；
 5、打开建筑物供水干管阀门，同时打开第一个回水干管上的关闭阀；
 6、当水开始流出进入桶中时，关闭第一个供水干管上的关闭阀，打开第二个回水干管上的关闭阀；
 7、继续重复以上步骤，每次一个干管，直至打开所有回水干管的关闭阀，关闭所有给水干管的关闭阀；
 8、关闭建筑物给水。

七、室内空调系统设计

       别墅采用三位一体机加风机盘管的形式，主机设于设备间。地源热泵主机为别墅各房间集中提供冷热水，以水为冷热载体，夏季通过末端风机盘管为室内供供冷。冬季供暖则采用地暖供暖方式，舒适度远远高于空调。风机盘管都可以独立控制，采用侧吹或顶出风方式。

      详细内容参见中央空调设计部分（略）。

      室内地暖设计：
       本设计采用地暖模块方式铺设地暖管。地暖管选用D20*2.3型英国劳力特品牌。管间距20cm。
      详细内容参见地暖设计部分（略）

       <更多安装现场照片，欢迎浏览本站-工程案例>

方案设计施工：上海宝第居安环境工程技术有限公司
                     上海宝第新能源科技有限公司
地            址：上海市闵行区景联路439号4A220
电            话：021-54392270  
全国服务热线：400-800-8750
网            址：www.podiii.com
邮            箱：podiii@163.com