地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究與分析

杜成仁 （南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211188）

1 地源熱泵介紹

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)崮茉矗òǖ叵滤⑼寥阑虻乇硭饶芰浚┑募瓤晒嵊挚芍评涞母咝Ч?jié)能系統(tǒng)。其工作原理見圖1。

地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，實現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。一般在空調(diào)系統(tǒng)中，地源熱泵分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1k Wh 的能量，用戶可以得到4k Wh 以上的熱量或冷量。

據(jù)統(tǒng)計，1999年地源熱泵在家庭應(yīng)用的供暖設(shè)備中所占的比例：瑞士為96%、奧地利為38%、丹麥為27%，其裝機數(shù)量約為：美國30萬臺，瑞士2萬臺，北歐3萬臺。我國由于客觀因素的影響，地源熱泵空調(diào)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用相對發(fā)展比較緩慢。隨著人們生活水平的逐步的提高，人均耗能的比例不斷增長，地源熱泵技術(shù)已越來越引起人們的高度重視。國家也陸續(xù)出臺了一系列推廣應(yīng)用于地源熱泵空調(diào)技術(shù)的相關(guān)政策。

2 工程案例概況

本項目位南京為一幢6層建筑辦公樓，主要功能是根據(jù)各不同功能房間如辦公室、會議室、活動室、指揮中心等，甲方希望所使用的空調(diào)系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，能夠在所屬區(qū)域起到典范作用。因此通過空調(diào)負(fù)荷的計算，為他們提供能環(huán)保型和常規(guī)型兩種方案以供選擇。

3 空調(diào)負(fù)荷計算及設(shè)備初步選型

3.1 設(shè)計參數(shù)的選擇

3.1.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

夏季空調(diào)：設(shè)計溫度為26±1℃,相對濕度62%±5%，室內(nèi)風(fēng)速為0.3m/s。

冬季空調(diào)：設(shè)計溫度為18±1℃，相對濕度51%±5%，室內(nèi)風(fēng)速為0.20m/s。

3.1.2 室外設(shè)計參數(shù)

室外平均風(fēng)速：夏季2.6m/s；冬季2.6m/s。

大氣壓力：夏季100.4kPa；冬季102.52kPa。

空調(diào)室外計算干球溫度：夏季35℃；冬季－6℃。

夏季空調(diào)室外計算濕球溫度28.3℃冬季空調(diào)室外計算相對濕度73%。

夏季日平均干球溫度31.4℃。

3.2 設(shè)備選擇

空調(diào)負(fù)荷估算 表1

通過修正后，該辦公樓的總的設(shè)計負(fù)荷約為945.45kW。

根據(jù)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計原則和建筑物的實際情況，擬定冷熱源系統(tǒng)的方案，對兩個方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的比較，詳見表2。

本方案采用冷卻塔和地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，末端采用風(fēng)機盤管和新風(fēng)系統(tǒng)。即使在夏季地埋管承擔(dān)的排熱量能力不足，也可以由冷卻塔來承擔(dān)，而熱泵壓縮機的能耗降低則有助于地源熱泵機組效率的提高。在冬季，由于埋管的減少，系統(tǒng)效率會有所降低，因此熱泵壓縮機的能耗也會有一定的增加。

方案比較 表2

4 地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能特性分析

4.1 一次能源利用率PER

我們將地源熱泵系統(tǒng)、鍋爐房供熱以及風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)在節(jié)能性方面作一比較。由于地源熱泵驅(qū)動能源是電能，而鍋爐房供熱是以煤或氣體燃料為驅(qū)動能源的，它們雖然同是能源，但其價值不盡相同，電能通常是由其它初級能源轉(zhuǎn)變而來的，在轉(zhuǎn)換中必定有能量的損失。因此對于同樣制熱性能系數(shù)的熱泵，若所采用的驅(qū)動能源不同，則它們的節(jié)能意義及經(jīng)濟(jì)性也就不同。因此對于不同的能源驅(qū)動裝置，比較其COP值的意義不能說明實際問題。

因此為了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，常把COP轉(zhuǎn)化成一次能源利用率PER(亦稱能源利用系數(shù))來評價各系統(tǒng)的節(jié)能效果。所以能源利用率PER定義為:供熱量與消耗的初級能源之比。對于給定的供熱任務(wù)，能源利用系數(shù)越高就越節(jié)能。

則： PER=COP×η

對于以電能為驅(qū)動能源的系統(tǒng)來說，我國發(fā)電廠現(xiàn)今平均發(fā)電效率η1=30%，輸配電效率η2=90%，所以能源利用系數(shù)為:PER=COP×η1×η2

4.2 幾種供暖方式的節(jié)能性比較

同濟(jì)大學(xué)曾經(jīng)對南京等這一帶冬冷夏熱地區(qū)的風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的運行情況做過研究分析，得出風(fēng)冷熱泵機組平均COP 值為3。我國北方地區(qū)分散鍋爐房供暖一次能源利用率為61%，集中鍋爐房一次能源利用率為78%，燃油鍋爐的能源利用系數(shù)為80%。這里將各系統(tǒng)節(jié)能性比較列于表3，由表3可以看出地源熱泵系統(tǒng)的能源利用系數(shù)PER 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)和電加熱、鍋爐房供熱系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。

幾種供暖方式的節(jié)能性比較 表3

5 結(jié) 語

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國是一項新型的技術(shù)，它是一種跨學(xué)科、跨專業(yè)的綜合能源利用的新技術(shù)，需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的共同合作,做好勘測、設(shè)計、施工、調(diào)試等各方各面的具體工作，才能使系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能、環(huán)保和有效的利用，以使地源熱泵這項利國利民的可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。

[1]李中領(lǐng).簡述地源熱泵應(yīng)用于戶式中央空調(diào)的發(fā)展前景[J].制冷與空調(diào),2005(1).

[2]楊衛(wèi)波,施明恒,董華.太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供暖運行模式的探討[J].暖通空調(diào),2005(8).

[3]雷海燕,譯.日本應(yīng)用地源熱泵的可行性研究[J].地?zé)崮?2003(1).

[4]徐偉,譯.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.