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闭式地表水源热泵系统在夏热冬暖地区的应用研究
发布者:吴丹        发布日期:2018-6-6        访问人次:320

练伟斌,姜洋,胡映宁

(1-广西钧富凰建筑环境技术有限公司,2-广西大学 机械工程学院)

备注:本文已于2014年发表英文版。

期刊信息为:3rd International Conference on Civil Engineering and Urban
Planning, CEUP 2014,中国武汉,2014.6.20-2014.6.22

摘要:以广西某监狱为例,介绍了作者课题组自主设计实施的应用于夏热冬暖地区闭式地表水源热泵空调热水联供系统,并通过实验对系统的运行特性进行了分析,证明了该系统夏季制冷空调高效稳定,全年制热水效果良好,高温制热能力强,节能效果显着。

关键词: 地表水源热泵 运行特性 COP

The  research  about  application  of  closed-surface  water  source  heat pump  system in  hot  summer  and  warm  winter  area.

Abstract: Introduce the surface water source heat pump system briefly, analysis the feasibility of using surface water as low heat source combined with engineering example in hot summer and warm winter area. Get the operation of the system by analyzing test data in the project properties, illustrate that water source heat pump is more efficient in energy conservation and environmental protection compared with traditional conditioning system.

Keywords: surface water source heat pump; operation performance; COP

0 引言

    能源与环境问题是当今摆在世界各国面前的重大社会问题。在我国,建筑能耗占到能源消耗总量的28%以上[1],这其中的65%左右又被空调系统消耗;而在发达国家的商业建筑中,中央空调的能耗占到建筑总能耗的50%以上,有些地区甚至达到70%[2]。由此可见,开发出节能环保的、可持续发展的暖通空调技术已经迫在眉睫。储量巨大,清洁无污染的地表水则是非常适宜应用的新能源之一。

    从20世纪50年代开始,欧美发达国家就开始了水源热泵方面的研究和工程实践。Kavanaugh S P针对美国南部地区利用湖水作为热汇的系统进行了调查研究,研究表明该系统具有广阔的发展前景[3];Kavanaugh S P还测试了专为南部地区设计的湖水-空气源热泵的性能,结果表明在美国温暖的南方应用湖水作为热源的水源热泵系统能效比可以达到3.0以上[4];芬兰的Antero A M针对寒冷地区采用湖水源热泵作为热源进行了研究,结果表明在寒冷地区并不太适宜湖水作为热源,并且应用时要采用闭式系统和冷凝热回收系统[5]。国内的秦红等对武汉地区的地表水能源利用进行了分析,结论是在我国夏热冬冷的典型区域水源热泵可以作为低位热源,夏季系统能效比可达3.0以上,冬季则在2.8[6];陈晓等针对我国南方地区利用湖水的水源热泵进行了模拟分析,分析结果表明在夏热冬暖富水地区应用水源热泵的系统能效比可达3.2以上,比电加热锅炉节能约60%,推广前景广阔[7]

     当前水源热泵的研究在国内外都比较活跃,工程应用也日趋完善;但从目前的研究领域来看,基于闭式水源全热回收系统在夏热冬暖地区的研究还比较欠缺,相关的工程应用也开展的相对较少。

    本文结合广西某监狱应用于办公和住宅小区等的闭式地表水源热泵系统,分析闭式水源全热回收热泵系统在我国夏热冬暖地区应用的适用性,为今后该技术的推广提供参考依据和示范效果。

 

1 工程概况

    项目位于广西柳城县大浦镇,南邻河东大道,北侧为规划中的板桥路,紧靠杨柳河。该项目生活区总用地面积为105802平方米,总建筑面积143339.7平方米,住宅面积131024平方米,生活区共47栋,1066户宿舍。监管综合楼约11410平方米;监区约7000平方米。

图1为课题组针对该项目自主设计实施的高温水源热泵-壳管换热器闭式地表水源热泵系统原理图。

1.1系统运行策略

    该工程中所用系统为壳管换热器与螺杆式高温热泵串联形成的闭式水源热泵系统。在冬季制热水工况下,河水直接进壳管换热器热源侧,通过与河水热交换吸收河水的热量,壳管换热器使用侧闭环连接热泵机组中的蒸发器,蒸发器与闭环管路进行热交换吸热,获取热泵的低温热源。该热源系统虽然增加了中间换热器有少量热量损失,但确保了机组的清洁安全,同时由于水源离热泵机房距离较远,采用闭环换热系统可减少循环水泵能耗。热泵机组冷凝器冷凝放热循环加热水箱的水,从而制取生活热水。整个系统采用循环加热的方式来为生活热水加热。热水箱水温由温度传感器控制,当热水温度较低时,系统开机与河水进行换热,制取热水;当温度达到设定温度(如53℃)后,系统自动停机以达到节能的目的,此时水源循环泵、加热循环泵和取水泵工作。在夏季冷热联供模式下,系统为综合楼提供冷空调,同时全热回收冷凝热制取生活热水。此时空调循环泵和加热循环泵启动,热泵机组工作在全热回收模式。夏季单独制冷时,河水作为冷却水源,水源循环泵启动,热泵机组工作在制冷模式。

1.2 系统原理图

图1 系统原理图

    图1中高温水源热泵机组包括三台克莱门特1801型机组,机组制冷量为585.1KW,制热量为611.8KW,全部热回收量为576.1KW。

1.3 实验方案设计

    为了探寻闭式地表水源热泵在夏热冬暖地区的运行效果,做如下实验方案设计:

1.冬季制热水工况

(1)系统高温制热间歇运行:按照设定的启停标准,从热水温度50℃开始运行2小时温度升高到54℃后自动关闭机组及水源循环泵,加热循环泵;关机4小时后再开启机组及水泵,测试并记录机组及水泵的用电参数,蒸发器和冷凝器的进出口温差,计算出机组及系统能效比。

(2)系统高温连续运行:在晚间用水高峰期前让系统运行,从水箱中热水温度45℃开始稳定运行6小时至热水温度达到54℃后自动停机,测试并记录机组及水泵的用电参数,蒸发器和冷凝器的进出口温差,计算出机组及系统能效比。

2.夏季制热水与冷空调工况

(1)全热回收模式:在给办公楼供冷同时制取生活热水,系统运行稳定后测试并记录机组及各水泵的用电参数,蒸发器和冷凝器的进出口温差,计算出系统及机组能效比。

(2)水源制冷模式:单独采用水源水冷却向综合楼提供冷空调,系统运行稳定后测试并记录机组及各水泵的用电参数,蒸发器和冷凝器的进出口温差,计算出系统及机组能效比。

试验中使用的仪器有:TR118型定时器;XMTJ1602K温度巡检仪;精度为±0.1℃的TP3001型温度计;Testo175T1型温湿度巡检仪;迪纳声DTFX1020PX1系列超声流量计; CA8335电能质量分析仪;胜利牌DM6266型胜卡钳式万用表。

2 闭式地表水源热泵冬季运行特性研究

2.1 高温间歇运行特性

    按照1.3中所做的方案设计,得到高温间歇运行时的系统运行特性。

    如图2、3为当日环境温度5-14℃条件下,高温制热间歇运行时蒸发器进出口温度及温差的变化情况。从曲线中可以看出,系统运行初期蒸发器进口温度为11.9℃,出口温度为9.5℃,随着系统运行,蒸发器进出口温度呈极缓慢下降趋势,一个间歇运行周期后,蒸发器进口温度为11.4℃,出口温度为9.3℃,蒸发器进出口温度只有约0.5℃的降低,整个过程中进出口的温差基本保持在2℃,此时蒸发器侧的循环介质流量为140m3/h。此图说明了应用壳管换热器的闭式地表水源热泵系统在冬季制热水工况下,整个水源侧的换热性能良好稳定,系统运行状态稳定。

 

图2蒸发器进出口温度与系统间歇运行时间关系(稳定运行2小时)

图 3 蒸发器进出口温度与系统间歇运行时间关系(关机4小时后再次运行2小时)

图4 冷凝器进出口温度与系统运行时间关系(稳定运行2小时)

图5 冷凝器进出口温度与系统运行时间关系(停机4小时后再次运行2小时)

 

    图4、5中的曲线则说明了在冬季制热水工况中,系统间歇运行时冷凝器侧的进出口温度变化情况。由于该系统是循环加热型系统,加热水箱中的水不断进入冷凝器进行加热,所以冷凝器侧进出口温度呈上升趋势。系统运行初期,热水进口温度为50.2℃,出口温度为52.1℃;间歇运行一个周期结束后,热水进口温度为51.7℃,出口温度为53.8℃。整个过程中,进出口温差基本保持在2℃,此时冷凝器侧的热水流量为164m3/h,两个运行周期结束后,冷凝器进出口温度和温差基本保持恒定,说明间歇运行对该系统基本没有影响,冷凝器侧换热效果良好,系统运行很稳定。

    图6中的曲线可以看出间歇运行的每个周期开始后1小时,系统达到稳定状态,此时机组能效比基本稳定在4.75,系统能效比基本稳定在3.5,能效比的下降趋势也并不明显,说明在夏热冬暖地区冬季使用这套系统进行冬季热水制备是高效且稳定的。

    图7中的曲线表明了机组制热水的温升与耗电量的关系。可以看出系统在中低温区的耗电量呈缓慢上升趋势,耗电量保持在150kWh-200kWh之间;热水温度过了40℃,耗电量显着增加,说明机组高温制热能力下降,但实际系统总体温升的平均能效比依然很高,说明该系统节能高效,运行稳定。

图6 冬季制热水工况系统间歇运行的能效比

图7 机组制热温度与耗电量关系

2.2 连续运行特性

    图8中的曲线显示了连续运行时蒸发器进出口温度及温差的变化过程。从中不难看出,系统启动初期,蒸发器进口温度为11.6℃,出口温度为9.5℃,随着系统运行,蒸发器进出口温度缓慢下降,约2小时达到稳定状态。系统运行6小时后,蒸发器进口温度为10.6℃,出口温度为8.5℃,可以看出,系统运行6小时后,蒸发器进出口温度只有约1℃的降低,整个过程中进出口温差基本保持在2℃,此时蒸发器侧循环介质流量为141m3/h,说明了此系统在连续运行过程中,蒸发器的换热效果高效稳定,系统运行可靠。

 

图8 蒸发器进出口温度与系统连续运行时间关系

图9 加热水箱热水进出口温度与连续运行时间关系

 

    图9中的曲线显示了冷凝器侧热水进出口温度的变化。从图中不难看出,系统运行初段,热水进口温度为45.1℃,出口温度为47.9℃,运行2小时后该工程中生活区与犯人的热水用量达到高峰,此时加热水箱的进出口水温呈现下降趋势。高峰期过后,热水进出口温度开始逐步回升,当运行6小时后,热水箱中达到设定温度,此时热水进口温度为51℃,出口温度为53℃。整个连续运行过程中,热水进出口温差始终保持在2℃左右,保温水箱中的水温始终为52℃左右,完全达到供水要求,而当加热水箱中的温度达到要求时,新加热的水会通过内循环泵流入保温水箱中,保证了生活热水的供应。此时热水侧流量为164m3/h。由此可以说明连续运行时系统冷凝器侧的换热效果稳定。

    图10中的曲线显示了该闭式地表水源热泵系统在连续运行时能效比的变化情况。由图可知,运行2小时后系统达到稳定状态,稳定状态下,机组连续运行的能效比为4.7,系统连续运行的能效比为3.5,这与之前的高温间歇运行时的能效比相差无几。由此说明了该系统在冬季制热水工况中,不论是连续运行还是高温间歇运行,系统均能保持一个高效稳定的状态。

图10 冬季制热水工况系统连续运行的能效比

    图11、图12和图13则显示出(图中标明日期),在夏热冬暖地区采用闭式水源热泵时,机组蒸发器的进出水温度系统并不随着河水温度的变化而剧烈变化;机组和系统能效比也不随着水温变化而剧烈变化。由于该系统中的壳管换热器的存在,使得水源侧的换热稳定,蒸发器侧的进出口水温并不随着河水温度的变化而大幅度波动,这就使得整个系统的换热稳定高效。得出这个结果对今后在夏热冬暖地区进一步开展闭式地表水源热泵项目有较高的参考价值。

  图11 环境河水温度与时间的关系

 

 图12 系统能效比与河水温度的关系

 

      图13 蒸发器进出口温度与河水温度的关系

 

3闭式地表水源热泵夏季运行特性研究

3.1全热回收模式(冷热联供)

图14 冷热联供时系统运行时间对能效比的影响

    图14为冷热联供时系统在正常开启机组(系统)能效比的变化曲线图,因为冷热联供时,机组产生的生活热水是利用空调制冷产生的冷凝热制取的,所以机组制热能效比的变化曲线会对应着机组制冷能效比曲线呈现出一样的变化趋势。当冷负荷较稳定时,机组制冷、制热能效比也会趋于稳定,这时整个冷热联供的系统趋于平衡。由图可看出,机组制冷能效比和制热能效比稳定值分别在在3.04.0左右,机组和系统的综合能效比则分别在7.0和5.5左右。

3.2水源制冷模式

    图15为单独制冷时机组和系统能效比情况。刚开始运行,冷负荷较大,系统换热性好,能效比较高;随着综合楼室内温度降低,冷负荷逐渐下降,当室内温度降至一个稳定温度范围时,系统也随之趋于稳定状态。稳定时,机组能效比在4.1左右,系统的能效比在3.0左右。

图15 单独水源制冷时系统运行时间对能效比的影响

3.3两种制冷工况下机组和系统的性能比较

    由图16和图17不难看出,采用冷热联供时,系统和机组的能效比远高于单独用水源制冷时的能效比。当使用冷热联供时,生活热水是不消耗制热能耗的,这不仅满足了综合楼用户对冷量的需求,还很好满足了生活区和犯人对生活热水的需求,一举两得。可见,采用冷热联供这种全热回收方式,能够大大提高能源的利用率,做到高效环保。

图16 两种工况下各机组能效比

图17 两种制冷工况下各系统能效比

 

4结论

(1)本文针对夏热冬暖地区因地制宜地采用闭式水源热泵系统,表明通过二级换热后,最大程度上减小了河水温度对系统性能的影响,系统运行稳定可靠,同时也保障了机组的清洁安全。

(2)夏热冬暖地区闭式水源热泵系统,可以综合地实现夏季制冷、夏季冷热联供常年供应热水应用实用效果明显。

(3本文案例中,夏季,冷热联供时的机组和系统能效比分别为6.9和5.5左右;河水制冷的机组和系统能效比分别为4.1和3.0左右。冬季,闭式水源热泵系统制取热水时的机组和系统能效比分别为4.7和3.5。结果表明制冷、采暖和制取生活热水方面采用闭式水源热泵系统的稳定、高效与节能。

(4)该项目的成功实施也为今后在夏热冬暖地区逐步推广闭式水源热泵提供了良好的参考。

 

参考文献

[1]刘伟,冯圣红等.江水源热泵在空调工程中的应用分析[J].暖通空调,2010,12(40):51-54.

[2]钱剑峰,孙德兴等.新型地表水源热泵及其相关技术分析[J].哈尔滨商业大学学报,2007.

[3]Kavanaugh S P. Design considerations for ground and water source heat pumps in southern climates[J]. ASHRAE Transactions,1989,95(1):1139-1149.

[4]Kavanaugh S P, PEZENT M C. Lake water applications of water-to-air heat pumps[J].ASHRAE Transactions,1990,96(1):813-820.

[5]ANTERO A M. Lakes as a heat source in cold climate[C].International Congress of Refrigeration, Washington D C,2003:1-8.

[6]秦红,文远高,张文华.空调系统的地表水利用及节能和环境影响分析[C].全国暖通空调制冷1998年学术年会论文集,北京:中国建筑工业出版社,1998..

[7]陈晓,张国强.利用湖水的水源热泵系统应用分析[C].全国暖通空调制冷2004年学术年会论文集,北京:中国建筑工业出版社,2004.

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