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小高层建筑地源热泵生活热水系统的应用研究点击：1817 日期：[ 2014-04-26 21:39:37 ] |
| 小高层建筑地源热泵生活热水系统的应用研究 梁绍晓1，胡映宁2，彭伴君2，林俊2 （1.广西科联招标中心，广西南宁530007；2.广西大学机械工程学院，广西南宁530004） 摘要：对小高层建筑的地源热泵生活热水系统进行了分析研究，着重研究了循环介质流量对地源热泵系统运行特性的影响，并对系统连续运行时的稳定性进行了分析，得出了机组和系统能效比分别能保持在4.5和4.1，通过监测计算出热水的平均耗电量约为10kW·h/t；最后对电锅炉，空气源热泵和地源热泵3种系统作了经济性分析，得出地源热泵热水系统节能效果明显的结论。 关键词：小高层建筑；地源热泵；生活热水；经济效益 中图分类号：TK5文献标识码：A文章编号：1672-545X（2010）09-0034-03 生活热水是每家每户必不可少的生活需求。一般城镇民用住宅自己解决生活热水供应，主要采取电热水器、燃气热水器及太阳能热水器的形式。电热水器、燃气热水器的技术已趋于完善，但从能源消耗的角度来看，常规电热水器、燃气热水器从根本上只是“热水壶的高档化”，高能耗是它们无法克服的缺憾。太阳能热水器近年日益普及，但易受到昼夜、季节、地理位置等自然因素的限制，以及阴雨天气等随机性气候因素的影响，目前城镇用户率尚不足5%[1]。 地源热泵（GSHP）是一种利用可再生能源的高效、节能、无污染的既可供热又可制冷，同时全年可以提供生活热水的新型空调系统[2]。作为建筑节能和环保的有效手段，地源热泵正逐步得到业界人士的重视。正是由于其具有开源和节能的这种双重效果，而被称为21世纪的“绿色空调技术”。 文献[3]说明了欧洲住宅领域热泵应用现状，指出欧洲市场上用于供热（包括热水供应）的热泵系统，主要是地源热泵系统，占总供热系统的47.25%；文献[4]提出了我国地源热泵发展的特点，指出地源热泵用于北方供热居多，而南方更倾向使用空气源热泵来供热和中央空调冷水机组进行制冷；文献[5]针对夏热冬暖地区富水土壤的特性，研究了广西大学多层学生公寓的地源热泵热水系统，指出在地下水丰富的地区，设备停机2 h后，渗流地下水带来的热量，可以迅速恢复土壤热能；文献[6]对南方地区利用地源热泵进行高层建筑集中供热水系统进行了研究，得出热水平均耗电量约为11.2（kW·h）/t。 本文对小高层建筑的地源热泵生活热水系统进行了分析研究。研究了循环介质流量对地源热泵系统运行特性的影响；分析了系统连续运行时的稳定性，同时通过系统的运行情况，分析小高层建筑采用地源热泵系统供应生活热水的可行性和经济性。 1·小高层建筑地源热泵热水系统简介 1.1工程概况 研究对象为广西南宁市某生活小区3栋11层的小高层建筑，总建筑面积为1.5万m2，可居住用户99户。小区全天24 h的生活热水全部由土壤源地源热泵系统供给，按每户0.2t/d的标准，每天需制热水约20 t。通过采用分散式布局，每栋建筑设计了一套独立的地源热泵热水系统，每个系统有两台热泵机组。机组全部安装在地下车库，这样很好地解决了系统运行时产生的噪音问题。土壤换热器采用垂直埋管方式，地下埋管全部布置在小区四周。3套系统基本一致，本文主要针对其中2号小高层建筑的地源热泵热水系统进行了研究分析。 1.2生活热水系统 （1）系统简介。图1为2号小高层建筑地源热泵生活热水系统原理图。该楼为11层的小高层建筑，可居住33户，按每户使用50℃热水0.2 t/d设计，每天需制热水6.6 t。 此热水系统有两台额定功率为4.86 kW的热泵机组，制冷剂为R22。每台热泵机与一个额定功率为400 W的土壤换热器循环泵串联安装。土壤换热器采用单U型垂直埋管方式，材料为Φ25 mm的PPR管，钻井深度为50 m，钻井直径为110 mm，总钻井埋管深度为400 m。楼顶有一个6 t的不锈钢保温水箱，自来水经热泵机组加热后，储存在保温水箱中，全天24 h为用户提供生活热水。系统另装有2台额定功率为400 W的热水回水泵。 （2）系统设计方案的特点。本系统采用自动控制系统，通过水箱中浮球高度来控制机组的启停。因管道中的水温降低速度高于保温水箱，为保证用户随时都可以用到舒适的热水，系统通过监测回水管的水温，来决定回水加热过程，当回水管水温低于设定温度时，机组会自动启动来加热回水。 土壤换热器热平衡问题，是设计必须考虑的问题。此系统需全年向土壤取热，从理论上来说，这样的设计不可取，但在夏热冬暖且地下水丰富的地区，太阳能辐射和丰富的降雨，都会不断给大地补充大量的热能；土壤换热器设计合理，地下水流速快，渗流地下水带来的热量又会迅速恢复土壤热能；同时机组每天的运行时间12～16 h，这样也可使大地温度场有足够的时间得以有效的恢复。系统使用一年以来,一直稳定高效的运行，系统能效比＞4.0。 2·地埋管地源热泵热水系统的运行特性分析 实验中使用的仪器有：精度为±0.3℃的TP3001型温度计；TR118型定时器；等级精度为一级的埃美柯牌热水表；胜利牌DM 6266型胜卡钳式万用表。 2.1地埋管循环介质的流量对系统运行性能的影响 （1）地埋管循环介质流量对土壤器换热量的影响。图2是地埋管循环介质的流量，对土壤换热器换热量和冷冻水进出口温差影响的变化曲线。由图可知，随着循环介质流量的增大，冷冻水进出口温差明显下降，土壤源换热器的换热量呈上升的趋势，但变化缓慢。整个实验过程中，冷冻水进出口温差的变化率为46.7%，而土壤换热器的换热量变变化率为7.2%，这说明在本实验范围内，循环介质的流量对小型地源热泵系统的土壤换热器换热量影响不大。当流量为1.61 m3/h时，土壤源换热器的换热量最大，所以，地埋管循环介质的流量宜取1.61 m3/h左右。 （2）地埋管循环介质流量对能效比的影响。图3是机组和系统能效比以及热水温度随循环介质流量的变化曲线。由图可知，随着循环介质流量的增大，机组和系统能效比变化缓慢，整体分别保持在4.5和4.1左右。当循环介质流量为1.61m3/h时，机组和系统能效比为最大，分别为4.65和4.24。热水温度的变化幅值也较小，水温一般稳定在49.5℃，在循环介质流量为1.61 m3/h时，热水温度达到最高（49.8℃）。通过图3可以看出，对于小型地源热泵系统，由于循环介质的流量总体较小，其对机组和系统能效比以及热水温度影响不大，本系统循环介质的流量，宜选择1.61m3/h左右。 2.2系统运行的稳定性分析 图4是机组连续运行10 h机组和系统能效比以及冷冻水进出口温差的变化曲线。由图可知，系统刚开始运行时，机组和系统能效比最大，分别达到4.9和4.5，随着系统的运行，机组和系统的能效比逐渐降低，运行4 h后，系统基本达到稳定，机组与系统能效比分别保持在4.5和4.1左右；同时冷冻水进出口温差，也随着系统的运行逐渐降低，系统刚开始运行时温差为7.1℃，运行4 h后，温差降到6.1℃，继续运行时，温差一直保持在6℃左右。 根据图4，由于土壤的热惰性，土壤换热器在系统刚开始运行时，换热性能波动较大，且呈下降趋势，运行一段时间后，系统达到稳定，稳定后机组与系统能效比分别保持在4.5和4.1，冷冻水进出口稳定保持在6℃左右，表明土壤换热器的换热效果比较好且稳定。 2.3每吨热水耗电情况分析 表1是用户入住率为50%时，加热自来水和加热回水的耗电情况。单独加热自来水时，热水平均耗电量为6.9 kW·h/t，而热水实际平均耗电量为10.1 kW·h/t，这主要是回水加热耗电量，占到总耗电量的32%，这比例有点偏高。造成比例偏高的主要原因，是现在用户入住率较低，每天水箱中的水无法用完，从而造成保温水箱中热水白白冷掉后，只能流回机组重新加热。可以预测，随着用户入住率的增大，回水加热耗电量的比例会降低，每吨热水的耗电量也将减少，从而更进一步体现地源热泵的节能优势。表2是借鉴已有的相似系统，对入户率达到100%时热水平均耗电量的预测。 3·地源热泵热水系统经济效益分析 按用户入住率达到100%时，需要热水20 t/d的标准，对电热锅炉、空气源热泵和地源热泵3种方案的年耗电量和运行费用，进行如下比较： （1）电锅炉年运行费用。每年按365 d计算，由表3的参数计算。 电锅炉制热水年耗电量为 （4.18×20×1000×30×365）（/3600×0.95）=267667（kW·h） 电锅炉的年运行费用为 0.85×267 667×10-4=22.8（万元）。 （2）空气源热泵年运行费用。查相关资料，在夏热冬暖地区，空气源热泵制热水平均热水耗电量约15 kW·h/t，则年需电费用为 0.85×15×20×365×10-4=9.3（万元） （3）地源热泵年运行费用。按平均热水耗电量为10.1kW·h/t计算，则地源热泵制热水年耗电量为10.1×20×365=73 730（kW·h） 地源热泵的年运行费用为 0.85×24 331×10-4=6.26（万元）。 表4为3种方案的经济效益情况。由表知，地源热泵热水系统比电锅炉和空气源热水系统每年节约费用分别为72.4%和32.3%，显然地源热泵热水系统是最节能的。地源热泵对比空气源热泵的节能效果不是很明显，但是空气源热泵的运行性能受地理位置、昼夜、天气变化等因素的影响较大，很难满足全年全天供热水的要求，而地源热泵一般不受这些因素的影响，这更加体现出地源热泵系统的节能效果。 地源热泵热水系统对比电锅炉热水系统的年节电量为 267 667-73 730=193 937（kW·h） 对比常规系统年节电量193 937 kW·h，折算节约标准煤67.8 t，减少CO2排放176.3 t，减少SO2排放1.0 t，这表明地源热泵系统在减少温室气体和污染气体排放方面，有显著效果。 4·结束语 （1）小高层建筑地源热泵生活热水系统每吨热水的耗电量（包括回水加热耗电量）为10.1 kW·h左右，每户年平均费用为636元，比电锅炉和空气源热泵制热水系统分别节约74.4%和32.3%，节能效果显著。 （2）亚热带富水地区采用土壤源地源热泵系统制热水时机组和系统能效比分别为4.5和4.1，有较好的换热性能。 （3）对于小型地源热泵系统，随着地埋管循环介质流量的增大，冷冻水进出口温差明显变小，而土壤换热器的换热量、机组与系统能效比以及热水温度的变化幅值却很小，为保证较高的换热量和系统能效比，对本研究系统循环介质的流量可取1.61 m3/h左右。 参考文献： [1]罗海清，汤广发，龚光彩，等.建筑热水节能中的热泵技术[J].给水排水，2007，(S2)：98-101. [2]姚杨，马最良，姜益强.暧通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008. [3]杨自强，赵琰.欧洲住宅领域热泵应用现状[J].暖通空调，2005，2(35)：31-34. [4]Wei Yang，Jin Zhou，Wei Xu，Gaoqiang Zhang.Current status of ground-sourece heat pump in China[J].Energy Po-licy，2010，38(1)：323-332. [5]胡映宁，林俊，尹向明.富水土壤地区土壤换热器性能的实验研究[J].太阳能学报，2009，30(1)：5-11. [6]王艳.地源热泵应用于高层建筑集中供热水系统的研究以及经济性分析[D].南宁：广西大学，2010. |
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