地源熱泵供熱水-空調冷熱聯供綜合系統的實驗研究

                                胡映寧,林　俊,趙玲玲

                            (廣西大學,廣西南寧　530004)

    摘要：介紹了作者自主設計實施的地源熱泵熱水-空調冷熱聯供系統,運用單因素方法,研究地埋管總深度、地埋管及空調的循環介質流量等對熱泵系統運行特性的影響,提出土壤源制熱水和冷熱聯供兩種工況下的合理運行方式。研究結果表明土壤源制熱水間歇運行時既滿足生活熱水需求,又避免土壤源長期過度取熱;夏季采用空調冷凝熱為建筑制冷的同時制取生活熱水,機組綜合能效比達1:7以上,使熱水系統全年運行成本大大降低。

    關鍵詞：地源熱泵;土壤換熱器;冷熱聯供;空調冷凝熱;能效比

    中圖分類號：TK5　　　　文獻標識碼：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能環保型系統。自20世紀80年代以來,國外形成了地源熱泵技術的研究和工程實踐的新一輪高潮。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,考慮采用混合系統的一個主要原因是地下埋管費用太高,應采取補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]。近年國內也有較大發展,文獻[2]研究了土壤換熱器與冷卻塔并聯以及土壤源與空氣源并聯的兩種混合型地源熱泵系統,指出熱水的溫度控制及循環水泵的合理配置是系統設計的重要因素。

    然而熱泵技術在用于制冷空調時,大量冷凝熱要排到室外,浪費了能量,而且造成環境的熱污染。如今國內學者對此進行了一定的研究。哈爾濱工業大學的王偉等分析了空調冷凝熱回收熱水供應系統HRHWS的模型與控制策略,指出HRHWS節約了能量和運行費用,降低了污染率[3]。上海同濟大學的蔡龍俊等在一臺普通空氣源熱泵的壓縮機出口到冷凝器進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]。

    以上系統僅解決夏季熱水問題,冬季無空調或空調低谷時不能滿足熱水需求,或者對空調冷凝熱只是部分回收,而對采用土壤換熱器與空調全部冷凝熱實現冷熱聯供的系統研究甚少。本文針對南方夏季時間長和富水土壤優勢,自主設計實施了土壤換熱器與空調并聯的地源熱泵系統,夏季回收全部空調冷凝熱來制取熱水,并試驗研究了地埋管總深度、地埋管和空調的循環介質流量等對熱泵系統運行特性的影響,提出系統在不同工況下的合理運行方式,為夏熱冬暖地區地源熱泵技術和空調冷凝熱回收熱水供應系統的研究提供參考依據。

    2　地源熱泵供熱水-空調冷熱聯供綜合系統圖1為作者自主設計實施的廣西大學行健文理學院熱水-空調地源熱泵冷熱聯供系統原理圖,系統采用土壤換熱器和食堂空調并聯形式,每天為5200人供應熱水約210噸,食堂制冷面積約3600m2。系統由5臺水源熱泵機組組成,各包括兩臺功率12. 4kW的壓縮機。

    當環境溫度低于20℃時,系統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,揚程30m)。1號埋地盤管采用單U垂直埋管方式,材料為PPR管?0. 025m,平均鉆井深度為27m,井數150,埋管總深4050m。2號埋地盤管由總深1000m的單U埋管(平均鉆井深度25m,井數40)和總深1664m的雙U埋管(平均鉆井深度26m,井數64)組成。

    當環境溫度高于20℃時,關閉地下埋管,系統為熱水-空調冷熱聯供工況,使用水泵3(流量100m3/h,額定功率15kW,揚程32m),利用空調冷凝熱制熱水,獲得雙重能效,提高了能源利用率,同時減少吸取土壤的熱量,使土壤溫度場獲得恢復期,避免過度取熱而導致系統性能下降。空調停止時,熱泵機組冷凍水進水溫度約6℃,出水溫度約3. 5℃,熱量的轉換大部分來自風機盤管的導熱,少量來自管路的散熱;空調運行時,熱泵機組冷凍水進水溫度約11℃,出水溫度約7℃,熱量絕大部分來自空調末端與環境的換熱。經測試夏季食堂溫度達到24~26℃。

    自來水進入機組,達到設定溫度后,進入熱水箱1(容積100噸),同時由供水泵(流量42m3/h,額定功率4kW,揚程21m)進入熱水箱2(容積120噸)。系統于2006年9月開始,除寒暑假外一直保持高效連續運行,滿足了學生公寓的生活熱水需要,同時實現食堂的夏季制冷。

               

    3　實驗儀器和方案

    實驗中使用的儀器有:精度為±0. 3℃的HI98501Checktemp C型溫度計;TR118型定時器;等級精度為一級的埃美柯牌熱水表;DT9256C型卡鉗式萬用表。

    試驗采用單因素方法,考察地埋管總深度、地埋管或空調循環介質的流量等對不同工況的地源熱泵系統運行特性的影響,實驗過程中通過觀察循環介質的溫度來判斷系統是否達到穩定,待系統穩定運行后才進行測試,具體實驗方案如表1、2所示。

               

    4　系統運行特性分析

    4. 1　土壤熱源制熱水運行工況的特性分析

    4. 1. 1　地埋管循環介質的流量對系統的影響實驗機組為1#、2#、3#三臺熱泵機組,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,循環介質的流量對系統的影響。

    (1)流量對土壤換熱器換熱量的影響

    圖2、3是循環介質進出口溫差和土壤換熱器換熱量隨循環介質流量的變化曲線。如圖,在相同流量下,井深5880m時循環介質溫差和換熱量比井深5000m時的值高。隨流量增加,循環介質溫差逐漸降低;土壤換熱器的換熱量逐漸升高,而當流量大于75m3/h時,變化趨于平緩,但此時的進出口溫差約2. 4℃。所以從提高土壤換熱器的換熱量及保證循環介質一定進出口溫差考慮,本實驗系統當3臺熱泵機組運行時,地埋管循環介質的流量控制在75m3/h左右為宜。

                 

    單U埋管單位井深換熱量隨循環介質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;當流量為75m3/h時,換熱量最高,約41W /m。但循環介質流量不宜太大,否則難以保證進出口溫差,影響機組正常運行。

                   

    (2)流量對機組和循環泵功率的影響

    圖5是機組功率和循環泵功率隨循環介質流量的變化曲線。從圖中看出,隨循環介質流量的增加,機組功率穩定在66kW左右,說明循環介質的流量對機組功率產生的影響極小;而隨循環介質流量增加,循環泵功率逐漸升高,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連接,所以流量一定時,隨埋管長度(土壤井數量)增加,循環泵功率減少。

                  

    圖6是熱泵機組和系統的能效比隨循環介質流量的變化曲線。

    由圖可知隨循環介質流量增加,能效比逐漸升高,其中機組能效比高升幅度相對較大;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)的試驗條件下,測得獲取熱水量平均9. 6噸/小時,熱水耗電量平均7. 8噸(包括循環泵耗電),系統能效高達4. 0。因此從降低耗電量和提高能效比考慮,只開啟3臺熱泵機組,即可在22h內制取所需生活熱水。

    4. 1. 2　地埋管總深度對系統的影響

    只開啟2號地埋管(其中單U井深1000m,其他為雙U),改變雙U井數量(埋管長度),研究埋管總深度和熱泵機組的有效匹配。圖7是機組功率隨埋管總深的變化曲線。由圖知機組功率隨埋管深度的增加呈線性遞增,在本實驗條件下,總深260m的雙U埋管可與12. 4kW的功率即1臺壓縮機匹配。

                

    4. 1. 3　熱泵機組間歇運行對系統的影響

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

                 

    每次啟動機組之前記錄下熱水表和電表的讀數,計算平均每小時獲得的熱水流量和總耗電量(包括循環泵耗電),其隨運行時刻的變化趨勢如圖9所示。由圖可見,每小時制出的熱水總量保持12. 8噸左右,機組和循環泵總耗電量穩定于105度左右,熱水平均耗電8. 2噸。

               

    以上兩圖結果表明本系統可采用試驗中的間歇運行工況,既滿足學生公寓的熱水需求量,同時土壤溫度得以有效恢復。與3. 1. 1只啟動三臺熱泵機組相比,雖然間歇運行時熱水平均耗電量和能效比都略低,但若制取熱水所需時間較短,使土壤溫度場有效恢復,應予以優先考慮。

    4. 2　冷熱聯供工況的運行特性分析

    選擇環境溫度29~33℃作為試驗條件,研究空調冷凍水流量對系統運行的影響。

    (1)流量對空調使用側蒸發器換熱量的影響。圖10是空調冷凍水溫差及空調使用側蒸發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,當流量大于85m3/h時,換熱量基本恒定。

    (2)流量對機組和循環泵功率的影響。

    圖11是熱泵機組功率和循環泵功率隨冷凍水流量的變化曲線,由圖可知,機組功率基本穩定在105kW左右,而循環泵功率逐漸升高,說明冷凍水流量對機組功率幾乎不會產生影響。

                  

    (3)流量對機組和系統能效比的影響

    圖12是熱泵機組制熱水、制冷能效比及機組、系統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,機組制冷能效比EER基本恒定;制熱水能效比COP逐漸升高,當流量大于80m3/h時COP略有下降。因此80m3/h時能效最高,為系統最佳運行方式,此時機組COP為4. 5,EER為3. 2,即綜合能效比為7. 7;系統綜合能效比為7. 0。根據圖11、、12得知,從降低機組能耗和提高能效比綜合考慮,在本試驗條件下,空調冷凍水流量應控制在75~80m3/h之間。

    5　結論

    (1)亞熱帶地區可采用土壤源和空調冷凝熱兩種能源優勢互補利用的地源熱泵系統,本試驗條件下環境溫度低于20℃時,采用土壤源制熱水,機組能效達4. 3左右,系統能效達3. 8左右,同時避免土壤源長期過度取熱導致的系統性能下降。特別是夏季采用空調的冷凝熱為建筑室內制冷的同時制取生活熱水,機組綜合能效比1: 7以上,使熱水系統全年的運行成本大為降低。

    (2)當使用土壤源作為熱源時,埋管深度與機組功率需合理匹配,在本文條件下,若循環介質流量相同,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,循環泵功率越小,而機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41W /m。另外在實際工程中應根據系統設備等條件選擇合理的運行方式,本文條件下,當地埋管總深6400m(單U井深5000m+雙U井深1400m),控制5臺熱泵機組啟動10h停止2h間歇運行,既能滿足生活熱水量的需求,又能保證系統長期高效運行。

    (3)當熱泵系統由空調冷凝熱制熱水時,綜合考慮空調使用側蒸發器的換熱量、循環泵功率以及能效比等方面因素,空調冷凍水流量應控制在一定范圍之內,上述系統中,流量為75~80m3/h時耗電量最小,能效比達最大值。

參考文獻

[1]　Kavanaugh S P, K Rafferty. Ground -Source HeatPumps: Design of 

geothermal systems for commercialand institutional buildings [M]. 

Atlanta: ASHRAE,lnc, 1997.

[2]　林俊,胡映寧,李助軍,等.混合型地源熱泵系統運行特性實驗研究[ J].太陽能學報, 2007, 28(11):1206-1212.

[3]　王偉,馬最良.空調冷凝熱回收熱水供應系統計算機模擬分析[ J].哈爾濱工業大學學報, 2005, 37(2): 252-254.

[4]　蔡龍俊,沈莉麗.空氣源熱泵制冷熱回收機組技術可行性分析節能技術, 2007, 25(141): 45-49.

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