地源熱泵供熱水-空調(diào)冷熱聯(lián)供綜合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

                    地源熱泵供熱水-空調(diào)冷熱聯(lián)供綜合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

                                胡映寧,林　俊,趙玲玲

                            (廣西大學(xué),廣西南寧　530004)

    摘要：介紹了作者自主設(shè)計(jì)實(shí)施的地源熱泵熱水-空調(diào)冷熱聯(lián)供系統(tǒng),運(yùn)用單因素方法,研究地埋管總深度、地埋管及空調(diào)的循環(huán)介質(zhì)流量等對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,提出土壤源制熱水和冷熱聯(lián)供兩種工況下的合理運(yùn)行方式。研究結(jié)果表明土壤源制熱水間歇運(yùn)行時(shí)既滿足生活熱水需求,又避免土壤源長期過度取熱;夏季采用空調(diào)冷凝熱為建筑制冷的同時(shí)制取生活熱水,機(jī)組綜合能效比達(dá)1:7以上,使熱水系統(tǒng)全年運(yùn)行成本大大降低。

    關(guān)鍵詞：地源熱泵;土壤換熱器;冷熱聯(lián)供;空調(diào)冷凝熱;能效比

    中圖分類號(hào)：TK5　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    1　前言

    地源熱泵(GSHP)是利用地球表面淺層土壤或地表(地下)水作為熱源或熱匯,為建筑物供暖、制冷或提供生活熱水的高效節(jié)能環(huán)保型系統(tǒng)。自20世紀(jì)80年代以來,國外形成了地源熱泵技術(shù)的研究和工程實(shí)踐的新一輪高潮。Kavanaugh與Rafferty指出:除土地的有限性、土地的成本及熱泵效率等因素外,考慮采用混合系統(tǒng)的一個(gè)主要原因是地下埋管費(fèi)用太高,應(yīng)采取補(bǔ)充散熱或吸熱裝置的方法,以平衡全年從土壤中的取放熱量[1]。近年國內(nèi)也有較大發(fā)展,文獻(xiàn)[2]研究了土壤換熱器與冷卻塔并聯(lián)以及土壤源與空氣源并聯(lián)的兩種混合型地源熱泵系統(tǒng),指出熱水的溫度控制及循環(huán)水泵的合理配置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要因素。

    然而熱泵技術(shù)在用于制冷空調(diào)時(shí),大量冷凝熱要排到室外,浪費(fèi)了能量,而且造成環(huán)境的熱污染。如今國內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王偉等分析了空調(diào)冷凝熱回收熱水供應(yīng)系統(tǒng)HRHWS的模型與控制策略,指出HRHWS節(jié)約了能量和運(yùn)行費(fèi)用,降低了污染率[3]。上海同濟(jì)大學(xué)的蔡龍俊等在一臺(tái)普通空氣源熱泵的壓縮機(jī)出口到冷凝器進(jìn)口之間安裝板式換熱器,利用回收熱量加熱生活熱水,夏季熱回收量占冷凝熱的25% ~45%[4]。

    以上系統(tǒng)僅解決夏季熱水問題,冬季無空調(diào)或空調(diào)低谷時(shí)不能滿足熱水需求,或者對(duì)空調(diào)冷凝熱只是部分回收,而對(duì)采用土壤換熱器與空調(diào)全部冷凝熱實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供的系統(tǒng)研究甚少。本文針對(duì)南方夏季時(shí)間長和富水土壤優(yōu)勢(shì),自主設(shè)計(jì)實(shí)施了土壤換熱器與空調(diào)并聯(lián)的地源熱泵系統(tǒng),夏季回收全部空調(diào)冷凝熱來制取熱水,并試驗(yàn)研究了地埋管總深度、地埋管和空調(diào)的循環(huán)介質(zhì)流量等對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,提出系統(tǒng)在不同工況下的合理運(yùn)行方式,為夏熱冬暖地區(qū)地源熱泵技術(shù)和空調(diào)冷凝熱回收熱水供應(yīng)系統(tǒng)的研究提供參考依據(jù)。

    2　地源熱泵供熱水-空調(diào)冷熱聯(lián)供綜合系統(tǒng)圖1為作者自主設(shè)計(jì)實(shí)施的廣西大學(xué)行健文理學(xué)院熱水-空調(diào)地源熱泵冷熱聯(lián)供系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)采用土壤換熱器和食堂空調(diào)并聯(lián)形式,每天為5200人供應(yīng)熱水約210噸,食堂制冷面積約3600m2。系統(tǒng)由5臺(tái)水源熱泵機(jī)組組成,各包括兩臺(tái)功率12. 4kW的壓縮機(jī)。

    當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí),系統(tǒng)為土壤源制熱水工況,使用水泵1和水泵2(流量42m3/h,額定功率5. 5KW,揚(yáng)程30m)。1號(hào)埋地盤管采用單U垂直埋管方式,材料為PPR管?0. 025m,平均鉆井深度為27m,井?dāng)?shù)150,埋管總深4050m。2號(hào)埋地盤管由總深1000m的單U埋管(平均鉆井深度25m,井?dāng)?shù)40)和總深1664m的雙U埋管(平均鉆井深度26m,井?dāng)?shù)64)組成。

    當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃時(shí),關(guān)閉地下埋管,系統(tǒng)為熱水-空調(diào)冷熱聯(lián)供工況,使用水泵3(流量100m3/h,額定功率15kW,揚(yáng)程32m),利用空調(diào)冷凝熱制熱水,獲得雙重能效,提高了能源利用率,同時(shí)減少吸取土壤的熱量,使土壤溫度場獲得恢復(fù)期,避免過度取熱而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降?？照{(diào)停止時(shí),熱泵機(jī)組冷凍水進(jìn)水溫度約6℃,出水溫度約3. 5℃,熱量的轉(zhuǎn)換大部分來自風(fēng)機(jī)盤管的導(dǎo)熱,少量來自管路的散熱;空調(diào)運(yùn)行時(shí),熱泵機(jī)組冷凍水進(jìn)水溫度約11℃,出水溫度約7℃,熱量絕大部分來自空調(diào)末端與環(huán)境的換熱。經(jīng)測試夏季食堂溫度達(dá)到24~26℃。

    自來水進(jìn)入機(jī)組,達(dá)到設(shè)定溫度后,進(jìn)入熱水箱1(容積100噸),同時(shí)由供水泵(流量42m3/h,額定功率4kW,揚(yáng)程21m)進(jìn)入熱水箱2(容積120噸)。系統(tǒng)于2006年9月開始,除寒暑假外一直保持高效連續(xù)運(yùn)行,滿足了學(xué)生公寓的生活熱水需要,同時(shí)實(shí)現(xiàn)食堂的夏季制冷。

               

    3　實(shí)驗(yàn)儀器和方案

    實(shí)驗(yàn)中使用的儀器有:精度為±0. 3℃的HI98501Checktemp C型溫度計(jì);TR118型定時(shí)器;等級(jí)精度為一級(jí)的埃美柯牌熱水表;DT9256C型卡鉗式萬用表。

    試驗(yàn)采用單因素方法,考察地埋管總深度、地埋管或空調(diào)循環(huán)介質(zhì)的流量等對(duì)不同工況的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,實(shí)驗(yàn)過程中通過觀察循環(huán)介質(zhì)的溫度來判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定,待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后才進(jìn)行測試,具體實(shí)驗(yàn)方案如表1、2所示。

               

    4　系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

    4. 1　土壤熱源制熱水運(yùn)行工況的特性分析

    4. 1. 1　地埋管循環(huán)介質(zhì)的流量對(duì)系統(tǒng)的影響實(shí)驗(yàn)機(jī)組為1#、2#、3#三臺(tái)熱泵機(jī)組,分別研究井深5000m(單U)和井深5880m(單U井深5000m+雙U井深880m)兩種條件下,循環(huán)介質(zhì)的流量對(duì)系統(tǒng)的影響。

    (1)流量對(duì)土壤換熱器換熱量的影響

    圖2、3是循環(huán)介質(zhì)進(jìn)出口溫差和土壤換熱器換熱量隨循環(huán)介質(zhì)流量的變化曲線。如圖,在相同流量下,井深5880m時(shí)循環(huán)介質(zhì)溫差和換熱量比井深5000m時(shí)的值高。隨流量增加,循環(huán)介質(zhì)溫差逐漸降低;土壤換熱器的換熱量逐漸升高,而當(dāng)流量大于75m3/h時(shí),變化趨于平緩,但此時(shí)的進(jìn)出口溫差約2. 4℃。所以從提高土壤換熱器的換熱量及保證循環(huán)介質(zhì)一定進(jìn)出口溫差考慮,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)3臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí),地埋管循環(huán)介質(zhì)的流量控制在75m3/h左右為宜。

                 

    單U埋管單位井深換熱量隨循環(huán)介質(zhì)流量的變化曲線如圖4所示。圖中表明,隨流量增加,單位井深換熱量也增加;當(dāng)流量為75m3/h時(shí),換熱量最高,約41W /m。但循環(huán)介質(zhì)流量不宜太大,否則難以保證進(jìn)出口溫差,影響機(jī)組正常運(yùn)行。

                   

    (2)流量對(duì)機(jī)組和循環(huán)泵功率的影響

    圖5是機(jī)組功率和循環(huán)泵功率隨循環(huán)介質(zhì)流量的變化曲線。從圖中看出,隨循環(huán)介質(zhì)流量的增加,機(jī)組功率穩(wěn)定在66kW左右,說明循環(huán)介質(zhì)的流量對(duì)機(jī)組功率產(chǎn)生的影響極小;而隨循環(huán)介質(zhì)流量增加,循環(huán)泵功率逐漸升高,井深5000m的功率略高于井深5880m的功率,這是由于土壤換熱井是并聯(lián)連接,所以流量一定時(shí),隨埋管長度(土壤井?dāng)?shù)量)增加,循環(huán)泵功率減少。

                  

    圖6是熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的能效比隨循環(huán)介質(zhì)流量的變化曲線。

    由圖可知隨循環(huán)介質(zhì)流量增加,能效比逐漸升高,其中機(jī)組能效比高升幅度相對(duì)較大;而且隨埋管深度減小,能效比降低。但并不是埋管越長越好,要綜合考慮初期投資與機(jī)組換熱器換熱能力的合理匹配。

    (單U井深5000m+雙U井深880m)的試驗(yàn)條件下,測得獲取熱水量平均9. 6噸/小時(shí),熱水耗電量平均7. 8噸(包括循環(huán)泵耗電),系統(tǒng)能效高達(dá)4. 0。因此從降低耗電量和提高能效比考慮,只開啟3臺(tái)熱泵機(jī)組,即可在22h內(nèi)制取所需生活熱水。

    4. 1. 2　地埋管總深度對(duì)系統(tǒng)的影響

    只開啟2號(hào)地埋管(其中單U井深1000m,其他為雙U),改變雙U井?dāng)?shù)量(埋管長度),研究埋管總深度和熱泵機(jī)組的有效匹配。圖7是機(jī)組功率隨埋管總深的變化曲線。由圖知機(jī)組功率隨埋管深度的增加呈線性遞增,在本實(shí)驗(yàn)條件下,總深260m的雙U埋管可與12. 4kW的功率即1臺(tái)壓縮機(jī)匹配。

                

    4. 1. 3　熱泵機(jī)組間歇運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的影響

    在埋管總深6400m(單U井深5000m+雙U井深1400m)的條件下,控制5臺(tái)熱泵機(jī)組上午8∶00停止, 10∶00啟動(dòng),運(yùn)行10h后于晚20∶00停止,依次停止2小時(shí),啟動(dòng)10h,連續(xù)間歇運(yùn)行三天,觀察系統(tǒng)在各個(gè)階段的運(yùn)行效果。圖8是白天運(yùn)行過程中,熱泵機(jī)組能效比和系統(tǒng)能效比隨運(yùn)行時(shí)刻的變化曲線。如圖,機(jī)組和系統(tǒng)能效比分別穩(wěn)定在4. 25和3. 8左右。由此可見采用這樣的間歇運(yùn)行方式,大地溫度場基本保持穩(wěn)定,取熱與土壤傳熱過程達(dá)到平衡狀態(tài)。

                 

    每次啟動(dòng)機(jī)組之前記錄下熱水表和電表的讀數(shù),計(jì)算平均每小時(shí)獲得的熱水流量和總耗電量(包括循環(huán)泵耗電),其隨運(yùn)行時(shí)刻的變化趨勢(shì)如圖9所示。由圖可見,每小時(shí)制出的熱水總量保持12. 8噸左右,機(jī)組和循環(huán)泵總耗電量穩(wěn)定于105度左右,熱水平均耗電8. 2噸。

               

    以上兩圖結(jié)果表明本系統(tǒng)可采用試驗(yàn)中的間歇運(yùn)行工況,既滿足學(xué)生公寓的熱水需求量,同時(shí)土壤溫度得以有效恢復(fù)。與3. 1. 1只啟動(dòng)三臺(tái)熱泵機(jī)組相比,雖然間歇運(yùn)行時(shí)熱水平均耗電量和能效比都略低,但若制取熱水所需時(shí)間較短,使土壤溫度場有效恢復(fù),應(yīng)予以優(yōu)先考慮。

    4. 2　冷熱聯(lián)供工況的運(yùn)行特性分析

    選擇環(huán)境溫度29~33℃作為試驗(yàn)條件,研究空調(diào)冷凍水流量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

    (1)流量對(duì)空調(diào)使用側(cè)蒸發(fā)器換熱量的影響。圖10是空調(diào)冷凍水溫差及空調(diào)使用側(cè)蒸發(fā)器換熱量隨冷凍水流量的變化曲線。由圖知隨冷凍水流量增加,其溫差逐漸降低,換熱量逐漸升高,當(dāng)流量大于85m3/h時(shí),換熱量基本恒定。

    (2)流量對(duì)機(jī)組和循環(huán)泵功率的影響。

    圖11是熱泵機(jī)組功率和循環(huán)泵功率隨冷凍水流量的變化曲線,由圖可知,機(jī)組功率基本穩(wěn)定在105kW左右,而循環(huán)泵功率逐漸升高,說明冷凍水流量對(duì)機(jī)組功率幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。

                  

    (3)流量對(duì)機(jī)組和系統(tǒng)能效比的影響

    圖12是熱泵機(jī)組制熱水、制冷能效比及機(jī)組、系統(tǒng)綜合能效比隨冷凍水流量的變化曲線。

                

    如圖可見隨流量增加,機(jī)組制冷能效比EER基本恒定;制熱水能效比COP逐漸升高,當(dāng)流量大于80m3/h時(shí)COP略有下降。因此80m3/h時(shí)能效最高,為系統(tǒng)最佳運(yùn)行方式,此時(shí)機(jī)組COP為4. 5,EER為3. 2,即綜合能效比為7. 7;系統(tǒng)綜合能效比為7. 0。根據(jù)圖11、、12得知,從降低機(jī)組能耗和提高能效比綜合考慮,在本試驗(yàn)條件下,空調(diào)冷凍水流量應(yīng)控制在75~80m3/h之間。

    5　結(jié)論

    (1)亞熱帶地區(qū)可采用土壤源和空調(diào)冷凝熱兩種能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)利用的地源熱泵系統(tǒng),本試驗(yàn)條件下環(huán)境溫度低于20℃時(shí),采用土壤源制熱水,機(jī)組能效達(dá)4. 3左右,系統(tǒng)能效達(dá)3. 8左右,同時(shí)避免土壤源長期過度取熱導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降。特別是夏季采用空調(diào)的冷凝熱為建筑室內(nèi)制冷的同時(shí)制取生活熱水,機(jī)組綜合能效比1: 7以上,使熱水系統(tǒng)全年的運(yùn)行成本大為降低。

    (2)當(dāng)使用土壤源作為熱源時(shí),埋管深度與機(jī)組功率需合理匹配,在本文條件下,若循環(huán)介質(zhì)流量相同,則地埋管總深度越大,土壤換熱器的換熱量和能效比值越高,循環(huán)泵功率越小,而機(jī)組功率幾乎不受影響。本工程中單U埋管單位井深換熱量達(dá)41W /m。另外在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備等條件選擇合理的運(yùn)行方式,本文條件下,當(dāng)?shù)芈窆芸偵?400m(單U井深5000m+雙U井深1400m),控制5臺(tái)熱泵機(jī)組啟動(dòng)10h停止2h間歇運(yùn)行,既能滿足生活熱水量的需求,又能保證系統(tǒng)長期高效運(yùn)行。

    (3)當(dāng)熱泵系統(tǒng)由空調(diào)冷凝熱制熱水時(shí),綜合考慮空調(diào)使用側(cè)蒸發(fā)器的換熱量、循環(huán)泵功率以及能效比等方面因素,空調(diào)冷凍水流量應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi),上述系統(tǒng)中,流量為75~80m3/h時(shí)耗電量最小,能效比達(dá)最大值。

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作者簡介:胡映寧(1960-),女,教授,主要從事機(jī)械工程及可再生能源的教學(xué)與研究,通訊地址: 530004廣西南寧市廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。