两种地源热泵系统的设计及分析

　　【摘要】地源热泵技术是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术。本文就两种地热源泵系统的设计做简要分析。
　　关键词：地源热泵；系统设计；分散式；中央式
　　引言：
　　土壤、地表水以及地下水体具有较大的蓄热能力，在冬季的时候其温度比室外平均气温高，在夏季时比室外平均气温低。因此，地源热泵空调系统比空气源热泵和非热泵式空调系统具有更好的节能效果。
　　1地源热泵空调系统介绍
　　地源热泵是一种利用地下土壤中的地热资源,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。这种空调系统是把热交换器埋于地下,通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下,对房间进行降温。同时储存热量,以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间,对房间进行供暖,同时储存冷量,以备夏用,大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉,这样就实现了能量的季节转换。通常机组消耗1kW的电量,用户可以得到4～5kW左右的热量或冷量。与锅炉供热系统相比,地源空调系统要比电锅炉节省三分之二以上的电能,比燃煤、燃油锅炉节省约二分之一的能量;由于地下土壤的温度全年较为稳定,一般为15～20℃,在夏季远远低于室外空气温度,在冬季远远高于室外空气温度,机组运行工况稳定,无论在制冷还是制热都一直处于高效率运转状态,制冷、制热的性能与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,因此其运行费用为普通中央空调的系统的40％～50％。因此,近十几年来,地源热泵空调系统在北美北欧等国家取得了很快的发展,中国的地源热泵市场在最近几年来也更加活跃,在新的建设项目中得到了广泛的应用.可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的高效、环保、节能的供热和供冷空调技术。
　　2地源热泵原理及特点
　　在制热状态下，地源热泵机组蒸发器中的制冷剂吸收室外地下热交换器环路系统中与大地交换的热量而蒸发。在冷凝器中，制冷剂所携带的热量传递给室内循环系统，制冷剂放出热量后而凝结成液体。室内循环系统中的循环液体在吸收了冷媒的热量后，将该部分热量携带到建筑物内。这样，各环路不断地循环，地下热量就不断地被转移到建筑物内，从而实现建筑物的供暖。在制冷状态下，在冷凝器中，制冷剂所携带的热量传递到室外的地下热交换器环路系统中，制冷剂在放出热量后凝结成液体。而室外地下热交换器环路系统图1地源热泵系统工作原理图罔中的循环液体在吸收了制冷剂的热量后，将该部分热量释放到大地中。这样，各环路不断地循环，室内的热量就不断地被转移到地下，从而实现建筑物的制冷。制热与制冷两状态的切换是通过四通换向阀将制冷剂流动方向换向来实现。地源热泵技术的主要特点是：
　　1)利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，属于可再生能源利用技术；
　　2)供暖时利用电能将土壤中的热量搬运到室内，能量的70％来自土壤，制热系数高达3．5～4．5，远高于锅炉，制冷时要比普通空调节能40％～50％，运行费用低
　　3)由于相同需求情况下，用的电能减少，带来的环境效益相当显著
　　4)能够实现建筑物的供热和制冷，还能提供生活热水，一机多用，设备利用率高。
　　
　　3地源热泵两种形式的系统设计
　　分散式地源热泵的室内系统没有主末端装置,直接吹冷风或热风,功能相当于冷水机组+风机盘管。分散式系统的特点是体积小、容量小,无需设置大型专用机房,初期投资较小,控制简单,使用灵活,可实现真正意义的分户计量。分散式地环热泵空调系统是利用地下土壤中的地热资源通过水环路将此小型机组并联在一起,构一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供冷、供暖的空调系统。分散式室内系统有两种类型,一种是水循环系统+分散式地源泵机组+小型风管系统,这种类型具有空气品质好、系统效率高、末端区域没有噪声和冷凝水问题等优势,但这种系统对建筑层高有一定要求,机组位置需要进行减噪处理,且易分室控制。另一种是水循环系统+分散式地源泵机组+小区式末端换热装置,这种类型具有末端装置布局灵活、可结合地板采暖系统使用、可同时提供生活热水、可实现分室控制的优势,但存在室内管道需要保温、有冷凝水滴漏风险、会占用一定室内空间以及末端区域存在噪声等问题。由于分散式地源热泵是分散布置在各户或各室的,它和普通家用空调一样,实行单独电费计量,克服了锅炉采暖和中央空调制冷时的分户计量难题。正由于它是分散安装的,可分期分批投资,解决了中央空调机组必须一次投资到位的要求,从而降低了融资成本。
　　中央式地源热泵空调室外系统是利用地下土壤中的地热资源通过室外地下水环路系统输送给集中设置在一个机房内的所有机组,机组换热、制冷后通过空气输送管道或水系统送入各个房间的空调系统。中央式地源热泵系统换热设备集中,可以为整个建筑进行冷热供给,是最早出现的地源热泵室内系统的基本形式。中央式地源热泵系统机组设备易维护,初期投资相对较低,施工难度小,非常适合升级改造项目。中央式系统由水循环系统、中央式地源热泵机组以及末端换热装置(风机盘管、地板采暖、顶板辐射、组合式空调等)构成,具有末端装置布局灵活、可结合地板采暖系统使用、可同时提供生活热水、可实现分室控制等显著优势;但存在系统效率相对较低、有冷凝水滴漏风险、占用一定室内空间、末端区域存在噪声、室内管道需保温等问题。
　　4地源热泵两种系统形式设计应用
　　2007年,滨海客运站及蓟县客运站设计面积基本相同,当时都采用的地源热泵空调形式。空调系统形式滨海客运站采用的是分散式地源热泵系统,蓟县客运站采用的是中央式地源热泵系统。通过两年来的使用以及客运站的使用特点对两个客运站的空调运行费用进行统计比较,结果发现在相同条件下滨海客运站空调运行费只有蓟县客运站空调运行费的67%。两个项目进行分析总结;蓟县客运站一是中央式水系统为二次低温水在送入各个功能房间时沿途损失较大。二是中央地源热泵大机组卸载能力低于分散式地源热泵小机组,分散式地源热泵小机组可根据房间使用情况卸载停机。以上两种因素导致蓟县客运站空调运行费高于滨海客运站空调运行费用33%。但地源热泵形式空调机组与传统的中央水冷空调机组相比还是能够节约40%的能耗。
　　5建筑物负荷计算
　　设计地源热泵系统最关键的部分就是确定建筑物的负荷，而且要遵守如下原则：
　　●动态逐时计算负荷原则
　　●多样性原则
　　●节能性原则
　　●制备生活热水优先原则
　　
　　在地源热泵室内系统设计初期，首先要核算建筑物的建筑面积和空调面积，而要算准空调面积，就要对建筑物进行空调分区，根中央式与分散式地源热泵设计。中国可再生能源学会李元普王晔华据每个分区的面积、结构、功能、用途，然后计算每个分区的负荷。如果是分散式系统，每个分区的冷热负荷就是该分区机组的选型依据；如果是中央式系统，则要求将各个分区的负荷加起来，同时考虑输送过程中的冷热损失，确定项目总的冷热负荷。地源热泵系统的负荷值是系统设计、机组选型和配套设备选择的重要参考依据。因为现代建筑的进深一般都比较大，具有多个朝向，而且功能用途的不同，都造成不同空间的冷热湿负荷都不一样，所以在设计时进行空调分区非常必要。一个空调分区可以有一个温控器也可以有几个温控器，如果是分散式系统可以根据需要设有一台或多台机组，或在中央式系统中通过风系统或水系统承担负荷。
　　(1) 影响分区负荷的因素
　　影响室内不同区域冷负荷的因素有外墙和屋面的逐时冷负荷、外窗温差传热冷负荷、外窗太阳辐射冷负荷、内围护结构的传热冷负荷、人体冷负荷、灯光冷负荷等，在一些特殊环境中还要考虑设备冷负荷、食物显热散热冷负荷、伴随散湿过程中的潜热冷负荷等。影响热负荷的因素有围护结构基本耗热量、人员、灯光、设备散热量、内区散热量，以及附近热负荷包括朝向修正率、风力附加和高度附加。此外，对于面积比较大、内外区没有空气流通的楼层，要避免冷热不均的现象，合理划分内外区非常重要。尤其，冬季在空调分区系统中，内外区的冷热负荷并不同步，甚至会出现外区供热、内区供冷的情况。这就要考虑采用分散式系统的布置，以便在冬季供暖时通过布置在内区的机组回收建筑物余热，达到节能目的。还有对于空间的高度较高的建筑，是否有吊顶、风口位置高低、是否有回风口，都对负荷量有一定影响。这就对地源热泵系统设计人员的技术水平要求比较高，要在方案初期就充分考虑项目的功能和用途，对各个分区有一个整体的把握。
　　(2) 一般建筑物的冷热负荷
　　对于建筑物的冷热负荷的计算应采用动态逐时计算的方法，这样才能反应出地上建筑与地下岩土的真实换热量，这也是进行地下换热器设计的基础数据。
　　5结语
　　分散式地源热泵是最为节能的系统形式,它减少了一半水泵能耗,每个区域,或房间一台机组可以用多少开多少,另外由于减少了空气输送管道或水系统送路程损失则比中央式系统节能30%以上,有些情况还可以减少主管网管沟投资。
　　参考文献：
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　　2.桂江波;徐玉党;黎栩三种商业常用地源热泵经济性评价2004(03)
　　3.孙建平;王景刚;张子平地源热泵系统运行特性的分析[期刊论文]-华北电力大学学报2004(05)
　　4.王晓伟;方肇洪地源热泵系统施工技术[期刊论文]-实用技术2005(01)

《两种地源热泵系统的设计及分析》

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