1、地源热泵中央空调系统中智能化控制的应用【摘要】 随着能源和环境问题的日益突出,以节能和环保为主要特征的地源热泵技术在整个空调行业具有良好的发展势头 。这一技术目前还不甚广泛,正处于起步阶段,在设计和应用中存在一系列期待解决的问题,但作为一门新技术,它为国家的可持续发展带来了契机。 【关键词】 地源热泵;节能;环保;空调 中图分类号：TE08 文献标识码： A一、引言随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用自然资源,保护环境,减少常规能源消耗,已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。地源热泵空调系统通过吸收大地(
2、包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。二、地源热泵空调系统地源热泵（GSHPS）是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统，它是一个广义的术语，包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统（GCHPS） ，也叫地下热交换器地源热泵系统；地下水热泵系统（GWHPS） ；地表水热泵系统（SWHPS） 。 系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷,
3、夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用;冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样,通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。三、地源热泵优点及应用现状地源热泵由于其技术上的优势,推广这种技术有明显的节能和环保效益,主要具有以下优点:(1) 低碳节能，地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约 40%,节能、运行费用低，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点。(2) 一机多用，投资少 ，地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。(3) 环保，开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房,无燃烧、无废弃
4、物,没有任何污染,不会影响环境质量。(4) 环境效益显著，地表浅层地热资源量大面广,无处不在,它是一种清洁的可再生能源。(5) 自动化程度高，机组内部及机组与系统均可实现自动化控制，可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停，达到最佳节能效果，无需专人看管，节省人力物力，使每年的维护工作量以及维护费用降低至常规中央系统的 1/5 至 1/10。 四、地源热泵空调系统设计1.地源热泵系统分类。地源热泵系统按其循环形式可分为:开式循环系统、闭式循环系统、混合循环系统。开式循环系统。开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源,在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后,水流回到原
5、来的地方或者排放到其它的合适地点。 闭式循环系统。封闭循环系统是指冷(热)源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150200 英尺深或水平埋入地下 46 英尺处,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流体从地下抽取热量,带入建筑物中,在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。闭式循环系统是一种比较稳定可靠的常规循环系统,对地下水、地下环境没有污染,一般设计应优先考虑该循环系统。 (3)混合循环系统。混合循环系统的地下换热器一般按热负荷来计算,夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供
6、。对于地下设计热交换空间不够充分,或垂直埋管困难等地下特殊情况,可考虑设计混合循环系统。2.系统设计参数讨论。关于(冷)热源侧水流量,要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度、埋管材料、管径大小、当地地源条件以及机组的特性要求。一般如提高水流速度可适当增加换热系数,强化换热量,减小换热面积和换热管的耗材,但流速太快会增加循环水泵能量消耗,一般可取流速为 0.651.5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计,其优化设计考虑的参数关系如下。复合能耗 N=f(长度 LLT、埋管材料 Ma、管径 D、地源温度 Te,地源热指标Ke,机组特性 Type)在机组选择上,
7、设定地埋管进水温度,根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度,进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之,我国幅员辽阔,地处温带,在不同地区气候条件差异很大,其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果,而要开发适合我国气候特点的技术。3.机组的设计。地源热泵的形式比较多,其中商用化最为广泛的是蒸汽压缩式热泵。以水-水系统为例,由一个室外机组和多个室内机组组成。该系统可以对每个空调室进行单独调节,满足各个空调室的要求,具有较好的节能效果。变频户式地源热泵空调系统加上独立的新风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调系统,因而其优化设计具有极其重要的价值。传统的制冷系统设
8、计方法是基于经验加实验为主,通常经验设计方法简便易行,对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点,只适于产品的初步开发。基于理论预测的优化设计技术可以有效。最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中,表征方案的一切独立变量为设计变量,最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量,即该指标为设计变量的函数-目标函数。在系统优化设计中,设计变量的取值常常受到种种条件的限制,即约束条件。变频户式地源热泵空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水
9、泵水管路系统组成。根据制冷系统热力学理论,利用参数动态分布、相互关联的方法,建立系统各部件数学模型和运行参数动态方程,组成系统运行参数的方程组,并对该系统进行动态模拟。模拟系统的动态特性,为优化设计提供依据。为满足空调系统的节能、热舒适性及制冷制热好的效果,空调系统的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时,分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求,利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算,
10、从而达到针对不同地域的地源热泵系统的优化设计的目的。 五、结论地源热泵是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术, 地源热泵技术对于改善我国的能源结构、降低传统能源能耗具有重要意义。需要通过相关专业技术人员的通力协作做好地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面。近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统得到大力推广,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为 21 世纪最有效的供热和供冷空调技术。 参考文献1殷平.地源热泵在中国J.现代空调(3).北京:中国建筑工业出版社,2001:182秦红,文远高,张文华.空调系统的地表水利用及其节能和环境影响分析J.全国暖通空调制冷.1998 年学术文集.北京:中国建筑工业出版社,1998:3223263峰华,赵军,朱强.地源热泵的工程应用及环保特性分析J.节能技术(3).2001:33354徐伟等译.地源热泵工程技术指南M.北京:中国建筑工业出版社,20015刁乃仁,方肇洪.地源热泵-建筑节能新技术J.建筑热能通风空调(3).2004:1823
