寫字樓安裝地源熱泵中央空調(diào)采用克萊門特主機(jī)設(shè)計方案分析，克萊門特公司是歐洲享受盛譽(yù)的地源熱泵主機(jī)制造商，其主機(jī)性能穩(wěn)定，壽命高達(dá)50年以上，下面武漢綠房子為大家介紹以克萊門特主機(jī)為主的某建筑面積為28720平方米的寫字樓地源熱泵中央空調(diào)制冷采暖系統(tǒng)方案測試。

地源熱泵利用地下淺層土壤(通常小于400m深)作為冷熱源,進(jìn)行能量交換的供暖空調(diào)系統(tǒng),由于地下土壤溫度比較穩(wěn)定,受室外空氣溫度影響較小,制熱、制冷系數(shù)比空氣源熱泵要高,運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50%——60%,是一種節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的空調(diào)技術(shù),應(yīng)該在國內(nèi)得到大面積的推廣,特別是加大在建筑能耗較大的公共建筑中應(yīng)用。

目前,國內(nèi)學(xué)者對地源熱泵系統(tǒng)在住宅建筑和地下水源熱泵系統(tǒng)在公共建筑中的運(yùn)行性能作了相關(guān)的調(diào)研,還沒有發(fā)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)在公共建筑中運(yùn)行性能分析的相關(guān)文獻(xiàn)。公共建筑的供暖空調(diào)系統(tǒng)一般是晝開夜停,冬季所需熱負(fù)荷較大,若用地源熱源系統(tǒng),需要通過地下埋管換熱器與地下土壤交換較多的熱量來提供,故埋管數(shù)量較多地下?lián)Q熱非常復(fù)雜,而地下埋管換熱器換熱的穩(wěn)定性直接影響到地上熱泵機(jī)組的運(yùn)行,從而影響到整個地源熱泵系統(tǒng)的制熱性能。

本文以武漢某寫字樓(公共建筑)的地源熱泵系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對象,測試了初寒期和末寒期地源熱泵機(jī)組運(yùn)行時埋管水流量wd、空調(diào)水流量wk、循環(huán)泵消耗功率pp、機(jī)組的消耗功率pac、埋管水側(cè)進(jìn)、出口溫度(tin,tout)和空調(diào)供熱水側(cè)的進(jìn)、出口溫度(t′in,t′out),對機(jī)組在整個地源熱泵系統(tǒng)中的性能系數(shù)以及運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了

調(diào)研,并分別與空氣源熱泵、鍋爐取暖進(jìn)行了比較,分析了該系統(tǒng)的節(jié)能性。

1工程概況

武漢市某寫字樓位于上地軟件園東南角,地上三層,地下一層,總建筑面積為28720㎡,建筑的冷熱源采用地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成于2005年10月,設(shè)計熱負(fù)荷為1866.8kW。設(shè)計鉆井668口,井深65m,直徑!0.13m,井間距2.5m×2.5m。垂直單U型埋管材料為PE管,管徑為!25mm,地埋管一共分為10個分區(qū)。-65——-40m之間回填砂漿、細(xì)砂混合物-40——-2.8m之間先填細(xì)沙,再回填砂漿。系統(tǒng)空調(diào)側(cè)采用風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組送風(fēng)。

機(jī)房現(xiàn)有2臺克萊門特地源熱泵機(jī)組地埋管側(cè)一次水循環(huán)泵3臺,兩用一備空調(diào)側(cè)二次水循環(huán)泵3臺,兩用一備。用電設(shè)備規(guī)格如表1。

2地源熱泵機(jī)組的測試與結(jié)果分析

2.1熱泵機(jī)組測試系統(tǒng)

(1)地埋管水側(cè)和空調(diào)水側(cè)的進(jìn)出口溫度可以從機(jī)組設(shè)備上直接讀取

(2)采用富士FLB超聲波流量計分別計量埋水管側(cè)和空調(diào)供水管側(cè)的流量

(3)機(jī)組的運(yùn)行功率可以直接在機(jī)組設(shè)備上讀取采用6800功率諧波分析儀測量了一次水循環(huán)泵和二次水循環(huán)泵的功率。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

(1)冬季地下埋管換熱器換熱量:

Qd=wdcp(Tin-Tout)------------------(1)

式中?Qd—冬季地下埋管換熱器換熱量,

wd—埋管水側(cè)流量,kg/

cp—水的比熱容,kJ/(kg·℃)

Tin,Tout—埋管水側(cè)進(jìn)、出水溫度,℃。

(2)冬季空調(diào)供熱水側(cè)換熱量:

Qk=wkcp(T′in-T′out)----------(2)

式中Qk—冬季空調(diào)供熱水側(cè)換熱量,

wk—空調(diào)供熱水側(cè)流量,kg/

T′in,T′out—空調(diào)供熱水側(cè)進(jìn)、出口溫度,℃。

(3)冬季空調(diào)機(jī)組的性能系數(shù):

COP=Qk/Pac--------------------------(3)

式中COP—冬季空調(diào)機(jī)組的性能系數(shù)

Pac—空調(diào)機(jī)組輸入功率,kW。

(4)冬季地源熱泵系統(tǒng)能效比:

EER=Qk/Pin--------------------(4)

Pin=Pac+Pp------------------(5)

式中:EER—冬季地源熱泵系統(tǒng)能效比

Pin—地源熱泵系統(tǒng)輸入功率,

Pp—循環(huán)水泵輸入功率,kW。

2.3冬季供暖性能測試結(jié)果及分析

為了得到地源熱泵系統(tǒng)在供暖高峰期(初寒期)以及經(jīng)過一個冬季供暖期后(末寒期),空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行性能系數(shù)COP、整個機(jī)房的能效比EER。2005-11-30(初寒期)和2006-03-01(末寒期)分別對空調(diào)機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)及整個機(jī)房的設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了測試。由于開機(jī)后水溫有一定的不穩(wěn)定時間,等到運(yùn)行一段時間后,測出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了頻繁地開機(jī)以及單機(jī)頭加載和卸載的情況,故選取比較穩(wěn)定的一段時間的各狀態(tài)點(diǎn)性能參數(shù),取平均值整理得到,見表2。

表2的數(shù)據(jù)是在初寒期時一臺機(jī)組開啟,空調(diào)側(cè)同時開啟了兩臺水泵末寒期一臺機(jī)組開啟,空調(diào)側(cè)只開啟一臺水泵的運(yùn)行條件下測得的。由表2可知,初寒期制熱量為額定工況的60.3%的運(yùn)行狀態(tài),機(jī)組的COP值比較高,達(dá)到了5.而末寒期制熱量為額定工況的33.9%的運(yùn)行狀態(tài)下,機(jī)組的COP值降低了很多,為3.15?？梢钥闯?兩次測試時,機(jī)組均未在滿負(fù)荷下運(yùn)行,但機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷過低,機(jī)組COP值將大幅度降低,這與以往的經(jīng)驗(yàn)相一致。所以,實(shí)際設(shè)計中,系統(tǒng)選擇機(jī)組要充分考慮機(jī)組大部分時間允許工況,盡可能地使得機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷較高,真正體現(xiàn)地源熱泵的高性能。

2.4機(jī)組進(jìn)出口水溫測試結(jié)果及分析

地源熱泵以地下淺層土壤為冷熱源,由于土壤溫度的變化相對于大氣溫度的變化有不同程度的延遲和衰減,土壤越深延遲越大。夏季土壤的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣溫度,冬季土壤的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣溫度,所以,不管是制冷還是供暖,其性能系數(shù)均遠(yuǎn)高于空氣源熱泵,這是地埋管地源熱泵節(jié)能的機(jī)理[5]。冷熱源的溫度變化狀況,還將直接影響到空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能。盡管地下?lián)Q熱器與巖土之間是非穩(wěn)態(tài)、無限大區(qū)域內(nèi)的傳熱,受諸多非線性因素的影響,在不同地區(qū)產(chǎn)生不同的埋管傳熱效果,而這一傳熱過程的強(qiáng)弱必然使埋管換熱器的進(jìn)出口水溫發(fā)生變化。

為了得到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性,測試了初寒期(6:00——18:00)和末寒期(6:00——18:00)空調(diào)機(jī)組埋管水側(cè)和空調(diào)供熱水側(cè)的進(jìn)、出口溫度,見圖1。

由圖1可知,整個系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,埋管水系統(tǒng)及空調(diào)水系統(tǒng)部分的進(jìn)水溫度、出水溫度均未出現(xiàn)

異常,地埋管側(cè)出水溫度在10℃左右,整個機(jī)組的效能屬于正常范圍?？照{(diào)系統(tǒng)供水溫度基本保持在34——41℃,能夠滿足末端風(fēng)機(jī)盤管的使用地埋水管和空調(diào)供水管進(jìn)、出口溫差在1.3——4.34℃,可見在地下埋管換熱器的換熱效果比較穩(wěn)定,運(yùn)行穩(wěn)定性要比空氣源熱泵好得多。

同時從圖中發(fā)現(xiàn),在埋管水流量、進(jìn)出口水溫差相差不大的情況下,末寒期的蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口水溫比初寒期蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口水溫低2.96℃,由以上分析可知,通過整個冬季的供暖,地下埋管周圍的土壤溫度有所下降,這必然影響到機(jī)組的制熱性能。對于供暖需求量比較大的公共建筑,有必要增加一些輔助加熱裝置(如:電鍋爐、燃?xì)忮仩t等),與地源熱泵組成混合系統(tǒng),這樣有利于使土壤這個巨大的蓄能保持能量平衡,土壤溫度保持穩(wěn)定,系統(tǒng)常年運(yùn)行工況穩(wěn)定。

3地源熱泵節(jié)能分析

3.1地源熱泵與空氣源熱泵供暖比較

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況,地源熱泵供暖期的平均制熱性能系數(shù)COPh取為3.螺桿式空氣源熱泵機(jī)組根據(jù)國標(biāo)[6]規(guī)定,取制熱性能系數(shù)COPh為2.64。采用這兩種空調(diào)方式對該寫字樓進(jìn)行供暖,結(jié)果見表3。

由于冬季空氣源熱泵制熱運(yùn)行時室外機(jī)結(jié)霜造成的影響,實(shí)際耗電量更大,根據(jù)相關(guān)資料,結(jié)霜損失約占總能耗的10.2%,經(jīng)過修正的功率為787.44kW。由上可得,地源熱泵制熱性能系數(shù)比空氣源熱泵高38.26%,而能耗方面,空氣源熱泵要比地源熱泵高53.9%。

3.2供暖與鍋爐取暖的比較

地源熱泵供暖消耗的是電能,而鍋爐供暖則是直接燃燒一次能源,兩者消耗的不是同等品質(zhì)的能源,所以要評價地源熱泵的節(jié)能效應(yīng)就必須用到一次能利用率的概念即能量利用率。地源熱泵的能源利用率是指熱泵的制熱量與一次能耗的比值。一次能利用率(或能量利用率)的計算公式為:

E=TQ/TP×β=COPh×β-------------(6)

式中:E—一次能利用率TQ—供暖季總的制熱量,TP—供暖季總的電能消耗,

β—發(fā)電廠的發(fā)配電效率COPh—供熱期地源熱泵平均制熱性能系數(shù)。

按國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵規(guī)定,全國的平均發(fā)配電效率β=0.284。此時計算得到的一次能利用率E=1.01。目前國內(nèi)的中型鍋爐房的取暖的E值為0.65——0.7。有的鍋爐房取暖的能源利用系數(shù)則更低。顯然,地源熱泵作為熱源要優(yōu)于目前鍋爐為熱源的供熱方式。

4結(jié)語

①在測試期,整個系統(tǒng)的地埋管側(cè)出水溫度在10℃左右,空調(diào)供水管進(jìn)水溫度基本保持在34——41℃,地埋水管和空調(diào)供水管進(jìn)、出口溫差在1.3——4.34℃,地源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,地下埋管換熱器的換熱效果比較穩(wěn)定。

②初寒期制熱量為額定工況的60.3%時,機(jī)組的COP達(dá)到了5.而末寒期制熱量為額定工況的33.9%時,機(jī)組的COP為3.15?？梢?機(jī)組COP隨著機(jī)組運(yùn)行部分負(fù)荷的增加而增大。在實(shí)際工程設(shè)計中,不僅要求機(jī)組在滿負(fù)荷時效率要高,而且在部分負(fù)荷運(yùn)行時效率也要高。

③盡管機(jī)組在供暖期運(yùn)行的穩(wěn)定性很好,但末寒期的蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口水溫比初寒期蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口水溫低

2.96℃,這反映了地下埋管周圍土壤溫度下降了。地下土壤溫度的下降必將影響制熱性能系數(shù),有必要對土壤的傳熱特性進(jìn)行理論分析,建立相應(yīng)的預(yù)測模型。同時在現(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)上增加一些輔助加熱裝置(例如:電鍋爐,燃?xì)忮仩t等)組成混合系統(tǒng),保證系統(tǒng)常年運(yùn)行工況穩(wěn)定。

④地源熱泵制熱性能系數(shù)比空氣源熱泵高38.26%,而能耗方面,空氣源熱泵要比地源熱泵高53.9%地源

熱泵一次能利用率E=1.01,比鍋爐取暖的0.65——0.7高44.29%——55.38%。