地源水环热泵的原理、特点及设计要点
1概述
1.1地源水环热泵
地源水环热泵空调系统是将浅表层地热能利用技术与水环热泵空调技术结合起来的系统。常规水环热泵为调节水环内循环水的温度需增加辅助冷源和热源,如冷却塔、锅炉等。地源水环热泵则是用可再生的浅层地热能替代了常规的辅助冷源和热源,水环热泵机组供冷时需排除的热量通过地下环路排走,供热时需补充的热量通过地下环路补充,具有节能、环保的独特优势。
根据低位热源的不同又可分为土壤源水环热泵空调系统、地表水水源水环热泵空调系统及地下水水环热泵空调系统三大类。
土壤源水环热泵空调运行可靠,效率较高,但地下埋管投资较大。地表水水环热泵空调系统利用海水、江河等地表水及污废水等作为低位热源,采用开式直接取水和闭式抛管换热系统排热和吸热,投资较土壤源水环热泵可减少,效率较之下降。地下水水环热泵利用地下水作为系统冷热源,其方式与地表水类似,但由于地下水资源开采受到限制,且回灌技术手段复杂,在一些地方采用受到一定限制。
1.2地源水环热泵系统特点
作为一种新型的空调系统型式,地源水环热泵空调系统有着其固有的特点:
(1)高效、节能,余热可直接回收。地源热泵冷热源温度较为恒定,较之其他形式的空调系统可节能25%～30%,水环热泵系统具有热回收的功能,能充分利用建筑物内区的余热,节约了能源。
(2)设计、施工方便,水环路系统无需保温,无需集中机房,特别适合于旧建筑暖通空调系统的改造。
(3)水环热泵机组还具有负荷调节能力强,使用灵活、能满足用户的局部空间、局部时段不同的使用要求的优势。
(4)水环热泵空调系统可采取计量末端机组的耗电量,循环水系统运行费用分摊的办法来达到单户计费的目的,计费方便、准确度高。
2地源热泵设计的关键
2.1地源侧设计关键
地源侧设计关键是确定换热管内流速,如管内流速过慢,则容易导致流体处于层流过渡区,换热效果不佳,如若流速过大,比摩阻增大,导致泵耗过高。为掌握地源侧换热能力、流体流速与比摩阻之间的关系,本文摘取了地下环路换热量与水流速关系试验,同时查取相应比摩阻。该试验控制机组出水温度为17℃(上下浮动不超过1℃),共取一组管,7根竖直埋管,集水管管径为DN32,竖直埋管为单U,管径为DN25,通过阀门调节管内流速,同时观察流量计与温度测试探头温度,得到换热量。
随着管内流速的增大,地埋管单位时间换热量也随之增加,当流速v在0.5～0.6m/s之间时,换热量约为25kW,管径d为25mm,液体运行粘度μ为0.805×10-6,则雷诺数Re=(vd)/μ,计算结果为13000～15000之间,已属于旺盛紊流状态,此时比摩阻为30Pa/m。当流速在0.6～1.0m/s的范围内,换热量增加比较缓慢,换热量在25～27kW之间,流速较之0.5～0.6m/s提高了近10%,但此时比摩阻为110Pa/m,增加了近3倍。当流速在1.0～1.3m/s的范围内,换热量在27～35kW之间,换热量曲线逐渐走平,这时继续增加流速换热增加效果已不明显,且比摩阻在不断增大。
通过以上分析,地下环路设计应保证管内流速保持紊流状态,流速不应低于0.5m/s,考虑运行的经济性,设计流速应保持在0.5～0.7m/s。
2.2水环热泵侧设计关键
2.2.1机组形式选择
水环热泵机组形式很多,按照是否集中可分为分离式和集中式,按照安装位置可分为吊挂式和立柜式,可根据房间不同功能需求进行选择。
适用场合层高是否带卫说明
客房、办公室、包厢低是造价较高,制冷剂易泄漏
&n
bsp;办公室、小会议室、大堂、商铺/否造价较低,安装简便
商场、大餐厅、大会议室、舞厅、大堂高/造价较低,可不设独立新风,做好消声
舒适性较低或有机房的建筑//造价较低,但需要大量机房面积
2.2.2机组噪声控制设计
由于水环热泵压缩机安装在室内,噪声控制显得尤为重要。水环热泵噪声主要来源为热泵机组内部的压缩机和风机,机组低频噪声较高,通过多项示范工程实践,设计应做到以下几点:
(1)机组位置。机组最好布置在吊顶内,避免裸露在人员区。
(2)风系统的消声处理。机组与送风口之间应尽量避免设计成直管段,适当的弯头有利于消声;尽可能采用吸声效果好的风道材料。
(3)机组的吊装方法。机组的吊杆采用橡胶减振垫与机组连接,并采用减振吊架，同时需确保机组保持一定的水平度,防止压缩机因为倾斜而加剧振动。
(4)风管、水管的连接形式设计。风管和水管与机组的连接均应采用柔性连接以避免由于机组的振动而引起风管和水管的共振。根据实际工程经验,由于帆布软接头不利于隔声,建议风管柔性接头不采用帆布软接头。
2.3水环路系统设计关键
2.3.1辅助设备选取
(1)辅助散热设备。夏热冬冷地区冷热负荷极不平衡,夏季空调负荷约为冬季空调负荷的2倍以上,若按照冬季负荷设计地源侧,则辅助散热装置的选型要能负担起供冷工况下超过地热交换器能力的那部分散热量。另外,辅助冷热源可以防止热力不平衡的发生。一般采用的辅助散热装置是冷却塔。ASHRAE在1995年给出了其推荐的辅助散热装置选型设计方法(其主要是计算确定作为埋管辅助散热设备的冷却塔容量的),公式如下:
Q=Q1-Q22×Hours
式中:Q—辅助散热装置的设计放热量;
Q1—设计供冷月散热总量;
Q2—通过热交换器排放到土壤或地表水中的设计供冷月散热量;
Hours—设计供冷月的小时数。
(2)辅助加热设备。目前常用的辅助加热设备有锅炉、低温水源热泵机组、水水换热器、汽水换热器等,由于部分采用天然热源(可再生能源),辅助热源的选用应按照以下步骤选用:①计算建筑热负荷;②在最不利工况下天然热源可提供的热量;③将建筑热负荷减去天然热源可提供的热量乘以供热系统平均COP-1除以供热系统平均COP(此比值约为0.7),即为加热设备的容量。
2.3.2水温控制策略
普通水环热泵环路内水温一般控制在15℃～32℃,但是对于地源水环热泵系统,为更大程度的利用可再生能源,可适当降低环内温度,一般可控制在10℃～32℃(目前超低温水环热泵机组可实现5℃～8℃运行)。
排热控制:(1)水温不高于32℃时,可直接采用天然冷源(地下埋管、地表水)进行冷却;(2)水温高于32℃时,可开启循环水泵,利用自然对流排热;(3)水温高于35℃时,可开启低速风机,水温继续升高,则开启高速风机。
加热控制:(1)当环路水温高于10℃时,利用天然冷源进行冷却;(2)若环路水温低于10℃时,开启加热设备,高于12℃时,关闭加热设备
