写字楼安装地源热泵中央空调采用克莱门特主机设计方案分析，克莱门特公司是欧洲享受盛誉的地源热泵主机制造商，其主机性能稳定，寿命高达50年以上，下面武汉绿房子为大家介绍以克莱门特主机为主的某建筑面积为28720平方米的写字楼地源热泵中央空调制冷采暖系统方案测试。

地源热泵利用地下浅层土壤(通常小于400m深)作为冷热源,进行能量交换的供暖空调系统,由于地下土壤温度比较稳定,受室外空气温度影响较小,制热、制冷系数比空气源热泵要高,运行费用为普通中央空调的50%——60%,是一种节能、环保和可持续发展的空调技术,应该在国内得到大面积的推广,特别是加大在建筑能耗较大的公共建筑中应用。

目前,国内学者对地源热泵系统在住宅建筑和地下水源热泵系统在公共建筑中的运行性能作了相关的调研,还没有发现地源热泵系统在公共建筑中运行性能分析的相关文献。公共建筑的供暖空调系统一般是昼开夜停,冬季所需热负荷较大,若用地源热源系统,需要通过地下埋管换热器与地下土壤交换较多的热量来提供,故埋管数量较多地下换热非常复杂,而地下埋管换热器换热的稳定性直接影响到地上热泵机组的运行,从而影响到整个地源热泵系统的制热性能。

本文以武汉某写字楼(公共建筑)的地源热泵系统为实验对象,测试了初寒期和末寒期地源热泵机组运行时埋管水流量wd、空调水流量wk、循环泵消耗功率pp、机组的消耗功率pac、埋管水侧进、出口温度(tin,tout)和空调供热水侧的进、出口温度(t′in,t′out),对机组在整个地源热泵系统中的性能系数以及运行稳定性进行了

调研,并分别与空气源热泵、锅炉取暖进行了比较,分析了该系统的节能性。

1工程概况

武汉市某写字楼位于上地软件园东南角,地上三层,地下一层,总建筑面积为28720㎡,建筑的冷热源采用地源热泵系统。该系统建成于2005年10月,设计热负荷为1866.8kW。设计钻井668口,井深65m,直径!0.13m,井间距2.5m×2.5m。垂直单U型埋管材料为PE管,管径为!25mm,地埋管一共分为10个分区。-65——-40m之间回填砂浆、细砂混合物-40——-2.8m之间先填细沙,再回填砂浆。系统空调侧采用风机盘管机组送风。

机房现有2台克莱门特地源热泵机组地埋管侧一次水循环泵3台,两用一备空调侧二次水循环泵3台,两用一备。用电设备规格如表1。

2地源热泵机组的测试与结果分析

2.1热泵机组测试系统

(1)地埋管水侧和空调水侧的进出口温度可以从机组设备上直接读取

(2)采用富士FLB超声波流量计分别计量埋水管侧和空调供水管侧的流量

(3)机组的运行功率可以直接在机组设备上读取采用6800功率谐波分析仪测量了一次水循环泵和二次水循环泵的功率。

2.2实验数据处理方法

(1)冬季地下埋管换热器换热量:

Qd=wdcp(Tin-Tout)------------------(1)

式中?Qd—冬季地下埋管换热器换热量,

wd—埋管水侧流量,kg/

cp—水的比热容,kJ/(kg·℃)

Tin,Tout—埋管水侧进、出水温度,℃。

(2)冬季空调供热水侧换热量:

Qk=wkcp(T′in-T′out)----------(2)

式中Qk—冬季空调供热水侧换热量,

wk—空调供热水侧流量,kg/

T′in,T′out—空调供热水侧进、出口温度,℃。

(3)冬季空调机组的性能系数:

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

式中COP—冬季空调机组的性能系数

Pac—空调机组输入功率,kW。

(4)冬季地源热泵系统能效比:

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

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

式中:EER—冬季地源热泵系统能效比

Pin—地源热泵系统输入功率,

Pp—循环水泵输入功率,kW。

2.3冬季供暖性能测试结果及分析

为了得到地源热泵系统在供暖高峰期(初寒期)以及经过一个冬季供暖期后(末寒期),空调机组的运行性能系数COP、整个机房的能效比EER。2005-11-30(初寒期)和2006-03-01(末寒期)分别对空调机组的各项指标及整个机房的设备运行指标进行了测试。由于开机后水温有一定的不稳定时间,等到运行一段时间后,测出的数据比较准确。在实验过程中出现了频繁地开机以及单机头加载和卸载的情况,故选取比较稳定的一段时间的各状态点性能参数,取平均值整理得到,见表2。

表2的数据是在初寒期时一台机组开启,空调侧同时开启了两台水泵末寒期一台机组开启,空调侧只开启一台水泵的运行条件下测得的。由表2可知,初寒期制热量为额定工况的60.3%的运行状态,机组的COP值比较高,达到了5.而末寒期制热量为额定工况的33.9%的运行状态下,机组的COP值降低了很多,为3.15?？梢钥闯?两次测试时,机组均未在满负荷下运行,但机组运行负荷过低,机组COP值将大幅度降低,这与以往的经验相一致。所以,实际设计中,系统选择机组要充分考虑机组大部分时间允许工况,尽可能地使得机组运行负荷较高,真正体现地源热泵的高性能。

2.4机组进出口水温测试结果及分析

地源热泵以地下浅层土壤为冷热源,由于土壤温度的变化相对于大气温度的变化有不同程度的延迟和衰减,土壤越深延迟越大。夏季土壤的温度远远低于大气温度,冬季土壤的温度远远高于大气温度,所以,不管是制冷还是供暖,其性能系数均远高于空气源热泵,这是地埋管地源热泵节能的机理[5]。冷热源的温度变化状况,还将直接影响到空调系统运行性能。尽管地下换热器与岩土之间是非稳态、无限大区域内的传热,受诸多非线性因素的影响,在不同地区产生不同的埋管传热效果,而这一传热过程的强弱必然使埋管换热器的进出口水温发生变化。

为了得到机组运行的稳定性,测试了初寒期(6:00——18:00)和末寒期(6:00——18:00)空调机组埋管水侧和空调供热水侧的进、出口温度,见图1。

由图1可知,整个系统在运行过程中,埋管水系统及空调水系统部分的进水温度、出水温度均未出现

异常,地埋管侧出水温度在10℃左右,整个机组的效能属于正常范围?？盏飨低彻┧露然颈３衷?4——41℃,能够满足末端风机盘管的使用地埋水管和空调供水管进、出口温差在1.3——4.34℃,可见在地下埋管换热器的换热效果比较稳定,运行稳定性要比空气源热泵好得多。

同时从图中发现,在埋管水流量、进出口水温差相差不大的情况下,末寒期的蒸发器侧进口水温比初寒期蒸发器侧进口水温低2.96℃,由以上分析可知,通过整个冬季的供暖,地下埋管周围的土壤温度有所下降,这必然影响到机组的制热性能。对于供暖需求量比较大的公共建筑,有必要增加一些辅助加热装置(如:电锅炉、燃气锅炉等),与地源热泵组成混合系统,这样有利于使土壤这个巨大的蓄能保持能量平衡,土壤温度保持稳定,系统常年运行工况稳定。

3地源热泵节能分析

3.1地源热泵与空气源热泵供暖比较

根据地源热泵系统的运行情况,地源热泵供暖期的平均制热性能系数COPh取为3.螺杆式空气源热泵机组根据国标[6]规定,取制热性能系数COPh为2.64。采用这两种空调方式对该写字楼进行供暖,结果见表3。

由于冬季空气源热泵制热运行时室外机结霜造成的影响,实际耗电量更大,根据相关资料,结霜损失约占总能耗的10.2%,经过修正的功率为787.44kW。由上可得,地源热泵制热性能系数比空气源热泵高38.26%,而能耗方面,空气源热泵要比地源热泵高53.9%。

3.2供暖与锅炉取暖的比较

地源热泵供暖消耗的是电能,而锅炉供暖则是直接燃烧一次能源,两者消耗的不是同等品质的能源,所以要评价地源热泵的节能效应就必须用到一次能利用率的概念即能量利用率。地源热泵的能源利用率是指热泵的制热量与一次能耗的比值。一次能利用率(或能量利用率)的计算公式为:

E=TQ/TP×β=COPh×β-------------(6)

式中:E—一次能利用率TQ—供暖季总的制热量,TP—供暖季总的电能消耗,

β—发电厂的发配电效率COPh—供热期地源热泵平均制热性能系数。

按国家的有关标准地源热泵规定,全国的平均发配电效率β=0.284。此时计算得到的一次能利用率E=1.01。目前国内的中型锅炉房的取暖的E值为0.65——0.7。有的锅炉房取暖的能源利用系数则更低。显然,地源热泵作为热源要优于目前锅炉为热源的供热方式。

4结语

①在测试期,整个系统的地埋管侧出水温度在10℃左右,空调供水管进水温度基本保持在34——41℃,地埋水管和空调供水管进、出口温差在1.3——4.34℃,地源热泵机组运行稳定,地下埋管换热器的换热效果比较稳定。

②初寒期制热量为额定工况的60.3%时,机组的COP达到了5.而末寒期制热量为额定工况的33.9%时,机组的COP为3.15?？杉?机组COP随着机组运行部分负荷的增加而增大。在实际工程设计中,不仅要求机组在满负荷时效率要高,而且在部分负荷运行时效率也要高。

③尽管机组在供暖期运行的稳定性很好,但末寒期的蒸发器侧进口水温比初寒期蒸发器侧进口水温低

2.96℃,这反映了地下埋管周围土壤温度下降了。地下土壤温度的下降必将影响制热性能系数,有必要对土壤的传热特性进行理论分析,建立相应的预测模型。同时在现有的机组基础上增加一些辅助加热装置(例如:电锅炉,燃气锅炉等)组成混合系统,保证系统常年运行工况稳定。

④地源热泵制热性能系数比空气源热泵高38.26%,而能耗方面,空气源热泵要比地源热泵高53.9%地源

热泵一次能利用率E=1.01,比锅炉取暖的0.65——0.7高44.29%——55.38%。