寫字樓安裝地源熱泵中央空調采用克萊門特主機設計方案分析，克萊門特公司是歐洲享受盛譽的地源熱泵主機制造商，其主機性能穩定，壽命高達50年以上，下面武漢綠房子為大家介紹以克萊門特主機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制冷采暖系統方案測試。

地源熱泵利用地下淺層土壤(通常小于400m深)作為冷熱源,進行能量交換的供暖空調系統,由于地下土壤溫度比較穩定,受室外空氣溫度影響較小,制熱、制冷系數比空氣源熱泵要高,運行費用為普通中央空調的50%——60%,是一種節能、環保和可持續發展的空調技術,應該在國內得到大面積的推廣,特別是加大在建筑能耗較大的公共建筑中應用。

目前,國內學者對地源熱泵系統在住宅建筑和地下水源熱泵系統在公共建筑中的運行性能作了相關的調研,還沒有發現地源熱泵系統在公共建筑中運行性能分析的相關文獻。公共建筑的供暖空調系統一般是晝開夜停,冬季所需熱負荷較大,若用地源熱源系統,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,故埋管數量較多地下換熱非常復雜,而地下埋管換熱器換熱的穩定性直接影響到地上熱泵機組的運行,從而影響到整個地源熱泵系統的制熱性能。

本文以武漢某寫字樓(公共建筑)的地源熱泵系統為實驗對象,測試了初寒期和末寒期地源熱泵機組運行時埋管水流量wd、空調水流量wk、循環泵消耗功率pp、機組的消耗功率pac、埋管水側進、出口溫度(tin,tout)和空調供熱水側的進、出口溫度(t′in,t′out),對機組在整個地源熱泵系統中的性能系數以及運行穩定性進行了

調研,并分別與空氣源熱泵、鍋爐取暖進行了比較,分析了該系統的節能性。

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。該系統建成于2005年10月,設計熱負荷為1866.8kW。設計鉆井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。-65——-40m之間回填砂漿、細砂混合物-40——-2.8m之間先填細沙,再回填砂漿。系統空調側采用風機盤管機組送風。

機房現有2臺克萊門特地源熱泵機組地埋管側一次水循環泵3臺,兩用一備空調側二次水循環泵3臺,兩用一備。用電設備規格如表1。

2地源熱泵機組的測試與結果分析

2.1熱泵機組測試系統

(1)地埋管水側和空調水側的進出口溫度可以從機組設備上直接讀取

(2)采用富士FLB超聲波流量計分別計量埋水管側和空調供水管側的流量

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

2.2實驗數據處理方法

(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—埋管水側流量,kg/

cp—水的比熱容,kJ/(kg·℃)

Tin,Tout—埋管水側進、出水溫度,℃。

(2)冬季空調供熱水側換熱量:

Qk=wkcp(T′in-T′out)----------(2)

式中Qk—冬季空調供熱水側換熱量,

wk—空調供熱水側流量,kg/

T′in,T′out—空調供熱水側進、出口溫度,℃。

(3)冬季空調機組的性能系數:

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

式中COP—冬季空調機組的性能系數

Pac—空調機組輸入功率,kW。

(4)冬季地源熱泵系統能效比:

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

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

式中:EER—冬季地源熱泵系統能效比

Pin—地源熱泵系統輸入功率,

Pp—循環水泵輸入功率,kW。

2.3冬季供暖性能測試結果及分析

為了得到地源熱泵系統在供暖高峰期(初寒期)以及經過一個冬季供暖期后(末寒期),空調機組的運行性能系數COP、整個機房的能效比EER。2005-11-30(初寒期)和2006-03-01(末寒期)分別對空調機組的各項指標及整個機房的設備運行指標進行了測試。由于開機后水溫有一定的不穩定時間,等到運行一段時間后,測出的數據比較準確。在實驗過程中出現了頻繁地開機以及單機頭加載和卸載的情況,故選取比較穩定的一段時間的各狀態點性能參數,取平均值整理得到,見表2。

表2的數據是在初寒期時一臺機組開啟,空調側同時開啟了兩臺水泵末寒期一臺機組開啟,空調側只開啟一臺水泵的運行條件下測得的。由表2可知,初寒期制熱量為額定工況的60.3%的運行狀態,機組的COP值比較高,達到了5.而末寒期制熱量為額定工況的33.9%的運行狀態下,機組的COP值降低了很多,為3.15?？梢钥闯?兩次測試時,機組均未在滿負荷下運行,但機組運行負荷過低,機組COP值將大幅度降低,這與以往的經驗相一致。所以,實際設計中,系統選擇機組要充分考慮機組大部分時間允許工況,盡可能地使得機組運行負荷較高,真正體現地源熱泵的高性能。

2.4機組進出口水溫測試結果及分析

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。夏季土壤的溫度遠遠低于大氣溫度,冬季土壤的溫度遠遠高于大氣溫度,所以,不管是制冷還是供暖,其性能系數均遠高于空氣源熱泵,這是地埋管地源熱泵節能的機理[5]。冷熱源的溫度變化狀況,還將直接影響到空調系統運行性能。盡管地下換熱器與巖土之間是非穩態、無限大區域內的傳熱,受諸多非線性因素的影響,在不同地區產生不同的埋管傳熱效果,而這一傳熱過程的強弱必然使埋管換熱器的進出口水溫發生變化。

為了得到機組運行的穩定性,測試了初寒期(6:00——18:00)和末寒期(6:00——18:00)空調機組埋管水側和空調供熱水側的進、出口溫度,見圖1。

由圖1可知,整個系統在運行過程中,埋管水系統及空調水系統部分的進水溫度、出水溫度均未出現

異常,地埋管側出水溫度在10℃左右,整個機組的效能屬于正常范圍?？照{系統供水溫度基本保持在34——41℃,能夠滿足末端風機盤管的使用地埋水管和空調供水管進、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定,運行穩定性要比空氣源熱泵好得多。

同時從圖中發現,在埋管水流量、進出口水溫差相差不大的情況下,末寒期的蒸發器側進口水溫比初寒期蒸發器側進口水溫低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、燃氣鍋爐等),與地源熱泵組成混合系統,這樣有利于使土壤這個巨大的蓄能保持能量平衡,土壤溫度保持穩定,系統常年運行工況穩定。

3地源熱泵節能分析

3.1地源熱泵與空氣源熱泵供暖比較

根據地源熱泵系統的運行情況,地源熱泵供暖期的平均制熱性能系數COPh取為3.螺桿式空氣源熱泵機組根據國標[6]規定,取制熱性能系數COPh為2.64。采用這兩種空調方式對該寫字樓進行供暖,結果見表3。

由于冬季空氣源熱泵制熱運行時室外機結霜造成的影響,實際耗電量更大,根據相關資料,結霜損失約占總能耗的10.2%,經過修正的功率為787.44kW。由上可得,地源熱泵制熱性能系數比空氣源熱泵高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的能源,所以要評價地源熱泵的節能效應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—發電廠的發配電效率COPh—供熱期地源熱泵平均制熱性能系數。

按國家的有關標準地源熱泵規定,全國的平均發配電效率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則更低。顯然,地源熱泵作為熱源要優于目前鍋爐為熱源的供熱方式。

4結語

①在測試期,整個系統的地埋管側出水溫度在10℃左右,空調供水管進水溫度基本保持在34——41℃,地埋水管和空調供水管進、出口溫差在1.3——4.34℃,地源熱泵機組運行穩定,地下埋管換熱器的換熱效果比較穩定。

②初寒期制熱量為額定工況的60.3%時,機組的COP達到了5.而末寒期制熱量為額定工況的33.9%時,機組的COP為3.15。可見,機組COP隨著機組運行部分負荷的增加而增大。在實際工程設計中,不僅要求機組在滿負荷時效率要高,而且在部分負荷運行時效率也要高。

③盡管機組在供暖期運行的穩定性很好,但末寒期的蒸發器側進口水溫比初寒期蒸發器側進口水溫低

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,有必要對土壤的傳熱特性進行理論分析,建立相應的預測模型。同時在現有的機組基礎上增加一些輔助加熱裝置(例如:電鍋爐,燃氣鍋爐等)組成混合系統,保證系統常年運行工況穩定。

④地源熱泵制熱性能系數比空氣源熱泵高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%。