1、 地源热泵空调循环系统1地源热泵系统的技术应用分析摘要 对于一个学校的循环地源热泵系统，我们对它使用了四种不同的热泵和换热管系统，得到了一份详细的能源消耗分析。对于每一个区域，我们采用一个单独的循环系统，包含单独的循环回路热泵，以及三种重要系统（流速不断变化的热泵，流速恒定的热泵和二级热泵回路）都考虑在内。单独的循环系统能耗是 13100kwh 每年，变流速循环热泵每年消耗 18800kwh，恒定流速热泵系统每年消耗 108600kwh，两级热泵每年消耗 65500kwh。设计数据，建立回路，控制热泵，分析数据，绘制表格。关键词 热力 地热能 热泵 蓄能 效率 经济引言地源热泵系统包含四种不同
2、子系统：（1）地源热交换系统（2）地面的热泵系统和房间内的循环管路用来连接热交换器和热泵系统（3）水循环热泵系统（4）空气处理系统。设计者往往花费大量的能源和资源给地源热交换系统，因为地源热交换系统是一个新颖的热交换组合对于大多数的暖通设计工程师。不幸的是，从而忽略了对其他三个组成部分的关注。很多传统的热交换系统其实可以全面地代替这种高效的冷热交换。当土壤中回路被准确地设计和安装，高效的水源热泵按指定的条件，地源热泵系统确实是高效的。然而这种高要求和热泵的能源使用可以导致设备体积过大，对管材的要求高，特别是系统设备的准确控制都要引起我们的关注。对于商业建筑和公共建筑地源热泵管道回路的设计程序主
3、要取决于建筑订约人通过术要求和暖通技术工程师。在二十世纪七十年代，地源热泵系统在居民住宅的空气调节中有了很大的发展。在一些地区，这种发展慢慢进入一些商业建筑，这些系统的设计往往都是没有专业的设计师，管道网络的设计趋向于复杂的有分功率和湿转子泵的单独回路，仅仅通过压缩机的传递来关闭水泵系统。在一些情况下，几个热泵装置通过一个简单的泵或者复杂的循环器连接在简单回路。如果一个单独的水泵在工作，它会被要求频繁地持续运转；如果一个循环器在工作，一般它会随着地源热泵空调循环系统2压缩机一起工作。然而，安装一个检查阀门在每个装置的出口是非常重要的，用来防止其他装置的回流当机组停止工作时。第二个地源热泵设计技
4、术的关键来自于暖通设计师协会，建立了良好的冷却水系统和水循环热泵空调机组。关键的空调机组通常安装在一个特定的人工机房，建筑内部的管道回路（通常用碳钢材料的管道）连接着地面管道回路集管。两级热泵机组的设计非常普遍，建筑内循环泵持续运转，地面循环泵只有在管道回路中的温度低于或者超过设定的温度才会工作。在一些情况下，一个循环泵同时控制着房间内和地面的循环回路，它不停地运转或者就周期性运转在机组停止工作时。随着技术不断发展，变流量中央空调机组正在应用于地源热泵中央空调管道网络中，这种新的应用要求在每个装置安装一个双向阀来获得节能效益。热泵系统热泵系统以电为动力驱动压缩机，来保持工质必要的浓度同时传递热
5、能。基本的热泵系统用于运行蒸汽压缩制冷循环。热泵内的工质通常是使用制冷剂，制冷剂的选择由地源热泵的整体特点和要求所决定。地源热泵系统通过控制工质的压缩和膨胀来改变其压力和温度，从而实现热量在地源和供热空间之间的传递。热泵主要包括五个组件(图1) ：压缩机、膨胀阀、换向阀、两个热交换器。当然还有很多小型的组件和配件，例如：风机、管道和辅助控制系统。地源热泵的加热流程如下： 从地源吸收热能并输送到蒸发器。图 1 地源热泵系统及减温器基本布局地源热泵空调循环系统3 热泵机组内制冷剂占主导地位的工质进入蒸发器，热量从接地系统转移到工质中从而引起制冷剂升温沸腾成为压力较低的蒸汽；温度略有增加。 蒸发器中
6、产生的蒸汽进入电动压缩机，压缩之后成为高温高压蒸汽。 高温蒸汽进入冷凝器。此时制冷剂高于外部空间，从而促使热量热量从制冷剂传递到建筑空间中。制冷剂降温凝结，成为高温高压液体。 热液体通过膨胀阀，压力降低从而使温度下降。制冷剂再次进入蒸发器，开始下一个循环包括制冷系统在内的许多系统是要把特定空间中的热量转移释放到土地中去。在制冷模式下，四通阀作用于流体，使工质在循环中按照相反的方向流动。换热器的功能反转，与地源相连的热交换器成为冷凝器，建筑空间中的热交换器成为蒸发器 8,12。有一些系统，包括减温器(图1)，作为辅助换热器将热量传递到一个热水箱。减温器安装在压缩机出口处，将压缩气体所产生的热量通
7、过热水箱传递到水循环中，这样一来能够降低甚至消除加热水所需的热量。能源利用效率优劣的评价，一般是用系统产出的能量比上运行系统所消耗的能量。热泵所能产出的热量多于输入热泵的能量，也就是说，按照能效比的定义，热泵的能效比是大于100%的。为了避免这种尴尬，定义系统所实现的制冷或制热量与输入功率的比值为用长期性能系数(COP)，以此评价热泵性能。热量输送系统热泵系统的供热系统将热量由热泵输送到整个空间。输送系统主要有两种：水-空气传热与水液体传热。水空气传热系统将能量有地源转移到空气，由空气作为向空间传热的传输介质，水液体供热系统是由水和另外一种作为介质的液体进行换热。在北美，最常见的地源热泵系统是
8、水空气换热的，热泵的冷凝器加热空气线圈，热空气从其中通过。热空气通过空调管道和通风口进入建筑。水液体加热系统俗称液体循环系统，在此系统中，能量由接地线圈从地源吸收，接着被热泵加热并传递至水中，由水作为介质传递至建筑中。系统中的水通过地源热泵系统冷凝器吸取热量。之后水由泵驱动环绕建筑转动，将热量由地面辐射供热、散热器或局部空气线圈等供热方式方式传递至空间中。这种系统相对于传统地源热泵空调循环系统4的强制对流系统需要较低的温度。室内温度最高的空气在加热炉中被强迫向天花板上升，形成一个凉爽舒适的居住空间。为了能使生活空间更加接近于期望的温度，进入空间气体的温度必须高于空间本身温度。地板辐射供热的空间
9、温度由地板到天花板都会很均匀，提供舒适的生活温度需要的能量更低。也有混合的动力系统，它结合了两种系统的供热方法，能够更加有效灵活的控制空间温度。影响地埋管的关键因素地面循环回路以及和它相关的组件和其他典型的暖通热交换器都有着明显不同的特点，而这些特点决定了管道内流速的选择，允许的水头损失和管道的材料，这些特点包括如下：地面本身可以最大防止热量的流动；因此，高性能的热传导管道材料，管道接触面的增大，管内流体的高速流动对于热传导意义不大。因为管内流体的流动一定会经过建筑内和地面的循环管道，因此地面管道要有非常有效的防锈解决方案，而且这种管道材料不需要用有毒抑制剂。按照设计准则，流体的高速流动对于好
10、的地面循环换热回路是没有必要的，流速的降低也可以显著减小流体流经地面管道的水头损失。因为管道内流体的高速流动对于换热性好的地面管道回路没有必要，因此适度的流量失衡对于整个热交换的作用也就比较小。高效的以及换热面积大的水-空气热泵机组不需要精确的流速控制去追求最大的效率，33% 的流速变化也只会让管道的换热能力减小2%左右。因为高效的以及高流程的热泵机组的流体管道体积要比一般的热泵机组流体管道大，水头损失相比较而言也就小。考虑到水头损失在地面管道和热泵机组中比较小，因此集管的长度，控制阀门损失，以及拟合的限制对于水头的损失都有重要的影响。推荐材料的花费相比较劳动的代价要小，因此减小摩擦损失对于减
11、小水泵扬程是一个非常经济合理的办法。抗腐蚀以及管道网络的最小化对于系统的高稳定性和正常性具有关键的作用。案例学校的热泵机组和管道系统选择对于地源热泵系统，在美国商业或者公共建筑应用最普遍的就是学校，有这样地源热泵空调循环系统5的案例：对于一个6700的学校，四种不同的管道和热泵机组在这里进行实验。要考虑的是每个分散的热泵机组系统都有单独的回路和循环泵，一个中央循环热泵机组用变流量系循环统，一个用恒定流量循环系统，一个用两级循环系统。表格数据显示建筑的内部情况，热泵机组的位置，以及200个分散回路的垂直管孔的位置，每个垂直管孔都是六十米深。图表2是一个教室空调系统的垂直分布图，这是一个功率是10
12、.5kw拥有三个并排的热交换管路。四个系统都在相同的位置安置热泵机组，但是地埋管道都是放置在离建筑物一定距离的矩形区域内。地埋管孔的数量随着建筑物的冷热负荷的变化而变，因为地埋管换热器的规格由建筑物的冷热符合决定。比如，这个学校的冷热负荷的调整系数在85% ，在复杂的地埋管系统中孔的数量应该是170个要比200个合适。使用变流量的中央空调系统可以把所要求的流量传递到整个建筑和地面的循环管道回路中。因为流体的流动取决于进出口的压力差，压力泵的转速不断地调整来维持一个持续的不同压力进而改变流量满足建筑的冷热需求再回到循环集管，这样可以确保持续流体通过热泵机组。当一个机组周期性的关闭，双向阀门也就关
13、闭。随着关闭的阀门的数量不断增加，集管的压力差不断变化，由于流量减小，压力损失也随之不断减小。当压力损失一发生变化，就会产生一个信号到达驱动控制系统进而降低压力泵的转速。这样的好处就是可以减小对于电能的需求，从而达到节能的效果。第三种系统就是持续运转的恒流量中央空调热泵系统，第四种系统就是两级热泵控制系统，一级热泵持续运转满足建筑内管道流体的循环流动，而只有当回路中流体温度高于设置的最高温度或者低于设置的最低温度时，二级热泵才开始工作。变流量系统相比较其他系统，对变流量中央空调热泵系统的分析就更加复杂。然而，建筑很大一部分时间都处于低负荷运转中，冷热负荷比较小，一个星期大概有50 个小时左右系
14、统处于低负荷运转，此时对于机组设备的性能特点的分析就非常重要。图表3是中央循环管道的系统布局，变流量系统管道设计，恒流量系统管道设计，两级热泵系统管道设计都在图中有详细的展示。在这几个系统中，建筑内和地面管道循环系统所用的管道都是一样的。图表5是变流量系统中最长管的扬程损失，想比较其他系统它的损失是最大的，因为必须克服集水管到建筑物和地面换热区域管道的摩擦。地源热泵空调循环系统6图表4标明了中央管道系统中系统和水泵的关系曲线。图表上绘制了理论系统性能曲线，这个曲线假设没有阀门关闭，也没有最小压差要求。但是实际上，变流量系统运行的原理是：流体流量不断地改变通过关闭没有运转工作的热泵机组的双向阀门
15、。另外，最小压差可确保流体通过建筑物满足冷热需求在回到集水管，进而确保每个机组装置都有充足的流量。但是假设理论系统压泵可以提供 的水头压力是m6流体通过建筑物回到集水管，理论性能曲线和实际性能曲线就非常相似。在图表4中，水泵的生产商提供了水泵转速在1150rpm 和750rpm 时的性能曲线，效率相同的点（50%，60%，70%，80%,83% )连接成线且在这两条性能曲线之间，这样就可以方便地计算出在这两条性能曲线之间任意工作效率点所需要的输入的能量。比如，当流体流量在32L/S时，查表可以知道它所需要的水头高度是18米，在这个点水泵的效率是82%。水泵所需要的输入的能量可以从何下面的算式中
16、计算出来： kwhpftgpmhQWpum 7.69.82.03965为了确定系统的电能消耗以及水速和水泵电能需求的关系，我们要用到天气数据和负荷数据。对于变流量系统水泵，传动效率和电机效率影响着电能的需求。drivemotpuElectW然而，结合着水泵的传动效率和电机效率对于计算小流量的能耗并不是非常有效的。图表 4 中阴影区域是水泵的低效率区域，这一不确定的区域就是水泵在建筑内换热设备没有使用时运转的效率区域。而且当电机的扭矩低于满负荷时扭矩的 25%时，电机和系统的效率将明显降低。例如，当一个 875 转的水泵性能曲线和实际性能曲线相交时，我们就可以发现变流量系统水泵的运转点。当水头高
17、度是 7.5 米，水流量是 8lps 时，水泵的效率大约是 50%，则压泵所需的能耗是 1.17kw。在这样的负荷运转下，电机的驱动效率就接近 57%。当流速是满负荷运转时流速的 21%，工作时负荷是满负荷的 16%时，能耗是 2.05kw。不断地重复这个过程，分别算出流速是系统满负荷运转流速的 50%，75%，100%时，所需要的能耗。用这些数据点，此系统的相关性如下：28.32.01.FLGPMFLekW地源热泵空调循环系统7因为建筑物的冷热负荷和所需要水流的流速之间的存在直接关系，且这种关系是直接利用的，因此，等式 3 的关系式就允许水泵所需的能耗来估计建筑内的冷热负荷。辅助冷却组件由于
18、压缩机和泵都不是100%的效率，它们运行过程中产生的热量直接被释放浪费掉。压缩机和泵产生的废热可用于预热循环泵中的制冷剂。将制冷剂通入一个密封的外壳，覆盖于泵和压缩机外面，由它们的电动机驱动能够实现将热量传递出去。预热能够提高组件性能，提高整个地源热泵系统的COP，以及降低接地回路换热器的热负荷。地面霜冻循环在多年冻土地区地源热泵的使用也逐步开始。建筑地基传热可能使永久冻土层融化并危及结构的完整性。通过安装一个紧邻地基的地面循环，冻土融化的现象可能降低甚至消失。从地基散发的热量被循环系统抽取，以确保建筑不会大幅度影响当地地表温度。抽取的热量用于补充建筑所需的热量，通常占建筑所需总热量的2050
19、%。该系统不应当使地面冻结的时间超过自然周期内冻结的时间，不应当扰乱当地的生态环境。热交换回路应当时安全可靠的，以防出现故障影响到建筑的稳定性。分析1.关于变流量系统是能耗最低的系统的假设并不是都成立的。2.对于一个一周要工作40个小时的居住条件，由于系统的效率，很大一部分能量消耗在变流量系统流速的改变且系统机组无负荷运转的情况下。3.对于地源热泵的几种不同系统，系统能耗的降低取决于水流扬程的降低，因为当无冷热负荷时，水泵很大一部分时间都是停止工作的。4.尽管小循环热泵的电机效率要比大型的中央空调热泵效率低，但是对于地源热泵的各种分散系统而言低能耗依然有可能实现。5.恒速水泵在不断地工作运转，
20、消耗大量的电能。6.大型水泵能耗的变化很大程度上就是我们通常可以使用的能耗范围。地源热泵空调循环系统8建议 1.在低负荷运转的情况下，我们要考虑能耗的最小化，因此在设计时我们要考虑让变流量系统的水泵停止工作当机组在低负荷运转时。2.为了满足变流量系统水泵在低负荷运转的工作要求，大量设计工作需要去做。3.我们应当不断地去追求循环水泵和电机的效率。4.对于一个每周要工作5天，每天要工作8-10小时的空调系统，如果我采用恒流量中央空调循环系统，这样的系统会非常的不合理和高能耗。5.我们也要考虑水泵的扬程以及地面的循环管道损失。6.我们也要考虑水泵尺寸过大的影响。7.如果实验数据相似，我们就要考虑在其
21、他的建筑形式以及不同环境条件下进行实验。进而得到所需数据分析。结论地源热泵是一种高效的供热技术，能够减少二氧化碳的排放量，潜在的避免了化石燃料的燃烧而且具备一定的经济性优势。对于加热特定的建筑空间，相对于其它供热方式，地源热泵系统显著的减少了能源的使用。随着环境的变化，地源热泵系统可以进行许多变化，而且在世界大部分地区适合使用地源热泵。在选择供热模式时，考虑地源热泵系统是非常重要的，如效率、排放量、经济性等方面。参考文献1 Chen Yi-ren, Zhou Chun-feng, Ye Rui-fang. Discussion on the system design of the geoth
22、ermal water-loop heat-pump. J. Build Energy Environ 2002;21(3):645.2 Chen Chao, Zhen NI, Li Xiao-ning, et al. Applications of closed-loop water-source heat-pump airconditioning system to residential buildings J. Heat Ventilat Air Condition 2004;34(6):727.3 Chao Chen, Jun Ouyang, Feng-ling Sun, et al. Analysis of energy consumption for an underground water-loop heat-pump air-conditioning system J. Build Sci 2004(Suppl.):2206.4 Chen Chao, Watanabe Toshiyuki, Ryou Youji, et al. J Archit Plann Environ Eng, AIJ 地源热泵空调循环系统91997;501(11):618.
