地源热泵供热水-空调冷热联供综合系统的实验研究

摘要：介绍了作者自主设计实施的地源热泵热水-空调冷热联供系统,运用单因素方法,研究地埋管总深度、地埋管及空调的循环介质流量等对热泵系统运行特性的影响,提出土壤源制热水和冷热联供两种工况下的合理运行方式。研究结果表明土壤源制热水间歇运行时既满足生活热水需求,又避免土壤源长期过度取热;夏季采用空调冷凝热为建筑制冷的同时制取生活热水,机组综合能效比达1:7以上,使热水系统全年运行成本大大降低。

1前言

地源热泵(GSHP)是利用地球表面浅层土壤或地表(地下)水作为热源或热汇,为建筑物供暖、制冷或提供生活热水的高效节能环保型系统。自20世纪80年代以来,国外形成了地源热泵技术的研究和工程实践的新一轮高潮。Kavanaugh与Rafferty指出:除土地的有限性、土地的成本及热泵效率等因素外,考虑采用混合系统的一个主要原因是地下埋管费用太高,应采取补充散热或吸热装置的方法,以平衡全年从土壤中的取放热量[1]。近年国内也有较大发展,文献[2]研究了土壤换热器与冷却塔并联以及土壤源与空气源并联的两种混合型地源热泵系统,指出热水的温度控制及循环水泵的合理配置是系统设计的重要因素。

然而热泵技术在用于制冷空调时,大量冷凝热要排到室外,浪费了能量,而且造成环境的热污染。如今国内学者对此进行了一定的研究。哈尔滨工业大学的王伟等分析了空调冷凝热回收热水供应系统HRHWS的模型与控制策略,指出HRHWS节约了能量和运行费用,降低了污染率[3]。上海同济大学的蔡龙俊等在一台普通空气源热泵的压缩机出口到冷凝器进口之间安装板式换热器,利用回收热量加热生活热水,夏季热回收量占冷凝热的25% ~45%[4]。

以上系统仅解决夏季热水问题,冬季无空调或空调低谷时不能满足热水需求,或者对空调冷凝热只是部分回收,而对采用土壤换热器与空调全部冷凝热实现冷热联供的系统研究甚少。本文针对南方夏季时间长和富水土壤优势,自主设计实施了土壤换热器与空调并联的地源热泵系统,夏季回收全部空调冷凝热来制取热水,并试验研究了地埋管总深度、地埋管和空调的循环介质流量等对热泵系统运行特性的影响,提出系统在不同工况下的合理运行方式,为夏热冬暖地区地源热泵技术和空调冷凝热回收热水供应系统的研究提供参考依据。

2地源热泵供热水-空调冷热联供综合系统图1为作者自主设计实施的广西大学行健文理学院热水-空调地源热泵冷热联供系统原理图,系统采用土壤换热器和食堂空调并联形式,每天为5200人供应热水约210吨,食堂制冷面积约3600m2。系统由5台水源热泵机组组成,各包括两台功率12. 4kW的压缩机。

当环境温度低于20℃时,系统为土壤源制热水工况,使用水泵1和水泵2(流量42m3/h,额定功率5. 5KW,扬程30m)。1号埋地盘管采用单U垂直埋管方式,材料为PPR管0. 025m,平均钻井深度为27m,井数150,埋管总深4050m。2号埋地盘管由总深1000m的单U埋管(平均钻井深度25m,井数40)和总深1664m的双U埋管(平均钻井深度26m,井数64)组成。

当环境温度高于20℃时,关闭地下埋管,系统为热水-空调冷热联供工况,使用水泵3(流量100m3/h,额定功率15kW,扬程32m),利用空调冷凝热制热水,获得双重能效,提高了能源利用率,同时减少吸取土壤的热量,使土壤温度场获得恢复期,避免过度取热而导致系统性能下降。空调停止时,热泵机组冷冻水进水温度约6℃,出水温度约3. 5℃,热量的转换大部分来自风机盘管的导热,少量来自管路的散热;空调运行时,热泵机组冷冻水进水温度约11℃,出水温度约7℃,热量绝大部分来自空调末端与环境的换热。经测试夏季食堂温度达到24~26℃。

自来水进入机组,达到设定温度后,进入热水箱1(容积100吨),同时由供水泵(流量42m3/h,额定功率4kW,扬程21m)进入热水箱2(容积120吨)。系统于2006年9月开始,除寒暑假外一直保持高效连续运行,满足了学生公寓的生活热水需要,同时实现食堂的夏季制冷。

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3实验仪器和方案

实验中使用的仪器有:精度为±0. 3℃的HI98501Checktemp C型温度计;TR118型定时器;等级精度为一级的埃美柯牌热水表;DT9256C型卡钳式万用表。

试验采用单因素方法,考察地埋管总深度、地埋管或空调循环介质的流量等对不同工况的地源热泵系统运行特性的影响,实验过程中通过观察循环介质的温度来判断系统是否达到稳定,待系统稳定运行后才进行测试,具体实验方案如表1、2所示。

4系统运行特性分析

4. 1土壤热源制热水运行工况的特性分析

4. 1. 1地埋管循环介质的流量对系统的影响实验机组为1#、2#、3#三台热泵机组,分别研究井深5000m(单U)和井深5880m(单U井深5000m+双U井深880m)两种条件下,循环介质的流量对系统的影响。

(1)流量对土壤换热器换热量的影响

图2、3是循环介质进出口温差和土壤换热器换热量随循环介质流量的变化曲线。如图,在相同流量下,井深5880m时循环介质温差和换热量比井深5000m时的值高。随流量增加,循环介质温差逐渐降低;土壤换热器的换热量逐渐升高,而当流量大于75m3/h时,变化趋于平缓,但此时的进出口温差约2. 4℃。所以从提高土壤换热器的换热量及保证循环介质一定进出口温差考虑,本实验系统当3台热泵机组运行时,地埋管循环介质的流量控制在75m3/h左右为宜。

单U埋管单位井深换热量随循环介质流量的变化曲线如图4所示。图中表明,随流量增加,单位井深换热量也增加;当流量为75m3/h时,换热量最高,约41W /m。但循环介质流量不宜太大,否则难以保证进出口温差,影响机组正常运行。

(2)流量对机组和循环泵功率的影响

图5是机组功率和循环泵功率随循环介质流量的变化曲线。从图中看出,随循环介质流量的增加,机组功率稳定在66kW左右,说明循环介质的流量对机组功率产生的影响极小;而随循环介质流量增加,循环泵功率逐渐升高,井深5000m的功率略高于井深5880m的功率,这是由于土壤换热井是并联连接,所以流量一定时,随埋管长度(土壤井数量)增加,循环泵功率减少。

图6是热泵机组和系统的能效比随循环介质流量的变化曲线。

由图可知随循环介质流量增加,能效比逐渐升高,其中机组能效比高升幅度相对较大;而且随埋管深度减小,能效比降低。但并不是埋管越长越好,要综合考虑初期投资与机组换热器换热能力的合理匹配。

(单U井深5000m+双U井深880m)的试验条件下,测得获取热水量平均9. 6吨/小时,热水耗电量平均7. 8吨(包括循环泵耗电),系统能效高达4. 0。因此从降低耗电量和提高能效比考虑,只开启3台热泵机组,即可在22h内制取所需生活热水。

4. 1. ;2地埋管总深度对系统的影响

只开启2号地埋管(其中单U井深1000m,其他为双U),改变双U井数量(埋管长度),研究埋管总深度和热泵机组的有效匹配。图7是机组功率随埋管总深的变化曲线。由图知机组功率随埋管深度的增加呈线性递增,在本实验条件下,总深260m的双U埋管可与12. 4kW的功率即1台压缩机匹配。

4. 1. 3热泵机组间歇运行对系统的影响

在埋管总深6400m(单U井深5000m+双U井深1400m)的条件下,控制5台热泵机组上午8∶00停止, 10∶00启动,运行10h后于晚20∶00停止,依次停止2小时,启动10h,连续间歇运行三天,观察系统在各个阶段的运行效果。图8是白天运行过程中,热泵机组能效比和系统能效比随运行时刻的变化曲线。如图,机组和系统能效比分别稳定在4. 25和3. 8左右。由此可见采用这样的间歇运行方式,大地温度场基本保持稳定,取热与土壤传热过程达到平衡状态。

每次启动机组之前记录下热水表和电表的读数,计算平均每小时获得的热水流量和总耗电量(包括循环泵耗电),其随运行时刻的变化趋势如图9所示。由图可见,每小时制出的热水总量保持12. 8吨左右,机组和循环泵总耗电量稳定于105度左右,热水平均耗电8. 2吨。

以上两图结果表明本系统可采用试验中的间歇运行工况,既满足学生公寓的热水需求量,同时土壤温度得以有效恢复。与3. 1. 1只启动三台热泵机组相比,虽然间歇运行时热水平均耗电量和能效比都略低,但若制取热水所需时间较短,使土壤温度场有效恢复,应予以优先考虑。

4. 2冷热联供工况的运行特性分析

选择环境温度29~33℃作为试验条件,研究空调冷冻水流量对系统运行的影响。

(1)流量对空调使用侧蒸发器换热量的影响。图10是空调冷冻水温差及空调使用侧蒸发器换热量随冷冻水流量的变化曲线。由图知随冷冻水流量增加,其温差逐渐降低,换热量逐渐升高,当流量大于85m3/h时,换热量基本恒定。

(2)流量对机组和循环泵功率的影响。

图11是热泵机组功率和循环泵功率随冷冻水流量的变化曲线,由图可知,机组功率基本稳定在105kW左右,而循环泵功率逐渐升高,说明冷冻水流量对机组功率几乎不会产生影响。

(3)流量对机组和系统能效比的影响

图12是热泵机组制热水、制冷能效比及机组、系统综合能效比随冷冻水流量的变化曲线。

如图可见随流量增加,机组制冷能效比EER基本恒定;制热水能效比COP逐渐升高,当流量大于80m3/h时COP略有下降。因此80m3/h时能效最高,为系统最佳运行方式,此时机组COP为4. 5,EER为3. 2,即综合能效比为7. 7;系统综合能 效比为7. 0。根据图11、、12得知,从降低机组能耗和提高能效比综合考虑,在本试验条件下,空调冷冻水流量应控制在75~80m3/h之间。

5结论

(1)亚热带地区可采用土壤源和空调冷凝热两种能源优势互补利用的地源热泵系统,本试验条件下环境温度低于20℃时,采用土壤源制热水,机组能效达4. 3左右,系统能效达3. 8左右,同时避免土壤源长期过度取热导致的系统性能下降。特别是夏季采用空调的冷凝热为建筑室内制冷的同时制取生活热水,机组综合能效比1: 7以上,使热水系统全年的运行成本大为降低。

(2)当使用土壤源作为热源时,埋管深度与机组功率需合理匹配,在本文条件下,若循环介质流量相同,则地埋管总深度越大,土壤换热器的换热量和能效比值越高,循环泵功率越小,而机组功率几乎不受影响。本工程中单U埋管单位井深换热量达41W /m。另外在实际工程中应根据系统设备等条件选择合理的运行方式,本文条件下,当地埋管总深6400m(单U井深5000m+双U井深1400m),控制5台热泵机组启动10h停止2h间歇运行,既能满足生活热水量的需求,又能保证系统长期高效运行。

(3)当热泵系统由空调冷凝热制热水时,综合考虑空调使用侧蒸发器的换热量、循环泵功率以及能效比等方面因素,空调冷冻水流量应控制在一定范围之内,上述系统中,流量为75~80m3/h时耗电量最小,能效比达最大值。

参考文献

[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,胡映宁,李助军,等.混合型地源热泵系统运行特性实验研究[ J].太阳能学报, 2007, 28(11):1206-1212.

[3]王伟,马最良.空调冷凝热回收热水供应系统计算机模拟分析[ J].哈尔滨工业大学学报, 2005, 37(2): 252-254.

[4]蔡龙俊,沈莉丽.空气源热泵制冷热回收机组技术可行性分析节能技术, 2007, 25(141): 45-49.

作者简介:胡映宁(1960-),女,教授,主要从事机械工程及可再生能源的教学与研究,通讯地址: 530004广西南宁市广西大学机械工程学院。