水蓄能型地源热泵空调系统能量分析

水蓄能型地源热泵空调系统能量分析

卢迪刘尘孙玉冰

中建铁路投资建设集团有限公司北京市100000

摘要：在能源紧张的形势下，地源热泵和水蓄能复合空调系统逐步引起了业内人士的关注。地源热泵有着高效节能、环境效益显著、运行安全可靠、可一机多用等优点，根据冷热源类型可将其分为水源（地下水或地表水）热泵系统和地埋管地源热泵系统。水蓄能系统是电力需求侧削峰填谷、提高电厂效率、降低运行费用的有效手段，相对于冰蓄冷而言，水蓄能可以实现蓄热和蓄冷的双重功能。

关键词：水蓄能型；地源热泵；空调系统；分析

引言：目前，我国建筑能耗的比例已占到全社会总能耗的27．5%，与同气候地区发达国家相比单位建筑面积采暖能耗要高出2-3倍，建筑节能已经势在必行。随着能源和环境问题变得日益突出，Zoelly提出的“地热源热泵”，自上世纪80年代后期在世界范围内开始发展，尤其是近些年来在全世界以每年20%以上的速度增长。尽管如今对地源热泵的研究已经比较成熟，但因其在实际应用中仍面临着取、蓄能难以平衡，不能有效利用电力峰谷差价等问题。

1.水蓄能型地源热泵空调系统概述

水蓄能型地源热泵空调系统包括地下水换热系统、热泵机组、末端系统和蓄能系统。根据该系统产能和需能的匹配和当地电价峰谷时段并通过阀门控制，该系统有4种运行模式。当处于电价谷段并且热泵机组制热（冷）量大于建筑物所需负荷时，采用机组边储热（冷）边供热（冷）模式，此时v1、v4、v5（v6）阀门开启，v2、v3、v6（v5）阀门关闭；当热泵机组制热（冷）量和蓄热（冷）水箱可供热（冷）量均小于建筑物所需负荷时，采用蓄热（冷）水箱和机组供热（冷）模式，此时v1、v4、v5（v6）阀门开启，v2、v3、v6（v5）阀门关闭；当处于电价峰值时段，采用蓄热（冷）水箱供热（冷）模式，此时v1～v6阀门关闭；夏季，当冷水井地下水温度小于12℃时，采用冷水井直供冷模式，此时v2、v3阀门开启，v1、v4、v5、v6阀门关闭。

2.能量分析法理论研究

热效率作为一个比较成熟的衡量热经济性指标，可以用来评价水蓄能型地源热泵空调系统各个组件的热经济性。能量转换及传递过程的热平衡关系为：供给的总热量=有效利用的热量+损失的热量热效率表示组件热量的利用率，可以反映出系统和组件热量利用程度有多大的提高潜力，但不能说明系统和组件热量损失占总损失比重的大小，无法反映整个系统的薄弱环节。除了热效率指标，能量分析法还常用热损耗率和热损耗系数进行分析。热损耗率是组件损失的热量与系统总热量损失的比例，可以揭示系统中各个环节或部位热量损失的相对大小，直观鲜明，要想提高整个系统的性能，需要重点改进热损耗率较大的组件；热损耗系数是组件的热量损失量与进入系统的热量的比例，既可以辨识用能不合理的薄弱环节，还能明确表明热量利用的程度。评价系统用能效率应该综合各项指标全面分析。

3.复合系统运行方式

3.1夏季运行方式

由于夏季室外温度随时间的变化，使得在供冷季的前期和后期冷负荷较小，采用蓄冷优先的控制策略，能充分利用谷段电力，减少运行费用，由蓄冷量满足尽可能多的冷负荷，不足部分有冷水机组直接供冷。通过实际运行发现，采用室外地源井直供给楼板埋管冷水的方法，让楼板埋管系统承担全天的空调负荷，可以满足人员工作时间的需求。而且由于不开制冷机组，主要由循环水泵耗电，所以节省了用电量；在供冷的中后期，冷负荷和湿负荷都比较大，于是需要开启热泵机组，为系统提供冷冻水，新风系统除提供新风外，还需要承担室内湿负荷和部分显热负荷。在热泵启用时，结合了“谷电”制冷和夜间楼板蓄冷（在23：00—7：00使用）两种方案，与传统的在白天上班时间制冷的空调运行方式比较，使其减少了用电量。

3.2冬季运行方式

冬季供暖采用与常规地源热泵运行方式不同的方法，以地源热泵制热，并结合了蓄能系统，室内主要由楼板埋管系统提供热量，利用新风系统控制室内空气湿度和空气品质，仍旧以热泵机组作为新风系统的加热热源，机组冬季制热功率为108.9kW。实际运行显示热泵机组只需提供较低的水温（28-32℃），就能保证室内供暖效果达到18-20℃，提高了热泵的COP，节能效果明显。在热泵启用时，利用“谷电”制热及楼板蓄热（在23：00—7：00使用）在夜间将热量蓄存在楼板及蓄能水箱中，从而使人员在第二天早上进入室内时就能有一个比较舒适温度。在热负荷的高峰期，根据监测结果，如果发现蓄存的热量不能够满足上班时间的热负荷，则开启地源热泵机组进行补热。通过以上方法减少了白天上班时间热泵的开启时间，与常规的热泵运行方式比较，使其节省了用电量及电费。

4.试验与分析

系统总供热包括5个部分：热泵机组运行13.92h耗电量8024.65MJ；潜水泵运行5.67h、水源侧循环水泵运行13.92h、储热泵运行13.75h，用户侧循环水泵运行24h，耗电量1042.29MJ；地下换热器吸取地下水热量为22737.54MJ；热泵机组吸取之前日储存在蓄冷水箱里的热量，此值为蒸发器从蓄冷水箱吸取的热量25917.75MJ与蓄冷水箱的利用热量18756.09MJ之差，为7161.66MJ；以及空气处理机组直接利用了2014年2月9日之前储存在蓄热水箱里的2897.17MJ热量。系统总供热量41863.31MJ，空气处理机组利用热量32185.88MJ，系统热效率为76.88%

水蓄能型地源热泵空调系统冬季加温时的薄弱环节是空气处理机组，热损耗率达到了41.56%，热损耗系数为0.0970，而其热效率为88.80%，热量利用程度也具有较大的提高潜力。可以采取以下措施提高热量利用程度：尽量增大送风温差；尽可能地减少新风比，合理控制新风比，对新风进行预热，降低新风负荷；采用低温热水作为空气处理机组的供水，且尽量减少供回水温差；定期清洗空调管道，减少污垢。影响系统热效率的重要因素还有地下换热器，热损耗率达到了39.18%，热损耗系数为0.0914，其热效率为83.17%，可以采取以下方法增强换热效果：提高其传热系数，破坏流动边界层或者层流底层，增强流体携带热量转移的能力，均是强化对流换热的有力措施，主要有：一是提高流体流速；二是增强流体的扰动，在流道中加插入物增强扰动，插入物若能紧密接触管壁，还能起到肋壁的作用，加强换热介质在管子的扰动形成紊流。随着强化换热技术的进展，对流换热热阻已经能大幅度降低，为了进一步增强换热，要对地下水进入换热器之前进行严格的处理，以及合理地安排清洗周期，减少污垢热阻。

总结：针对水蓄能型地源热泵空调系统，开发研究了能量分析法的数学模型，为分析空调系统及其装置在热力过程中热量的利用程度（如热效率和热损耗系数）或损失大小（如热量损失或热损耗率）提供了理论依据，提出了评判影响整个系统用能效率的主要环节或设备的一种方法，并给出了热损耗较大的组件相应的改善措施，对系统组件热性能的分析与优化具有指导意义。

参考文献：

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