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双级耦合热泵在北方高层建筑中应用的初探点击：1703 日期：[ 2014-04-26 21:40:05 ] |
| 双级耦合热泵在北方高层建筑中应用的初探 孙婷婷 马最良 (哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090) 摘 要:依据北方高层建筑供热的特点,设计了一种生态循环供暖系统———以空气为低位热源的双级耦合热泵系统,给出了几种可供选择的具体方案及其对应的末端装置,并对高层建筑中空气源热泵室外换热器的安装问题进行了探讨,提出了可行的方案。最后文章还给出了两种提高系统供热季节性能系数的方法。 关键词:双级耦合热泵;高层建筑;寒冷地区 中图分类号:TH311 文献标识码:A 文章编号:1009-3230(2007)05-0036-04 0 前言 我国正处在城市迅猛发展的时期,中小城市发展迅速,到2010年城市化水平将达到50%左右。高层建筑是城市人口猛增,建设用地紧张的必然产物,是中国城市化进程的必经之路[1]。与此同时,高层建筑的冷热源问题伴随而来。能源的匮乏,环境问题的加剧,人们对室内环境要求的不断提高,迫使人们必须为高层建筑寻找一种可持续发展的空调冷热源模式。热泵趁此契机在高层建筑中得到了广泛应用。 调查资料表明:2002年初,南京采用热泵冷热水机组为空调系统冷热源的工程有250项左右,低位热源几乎全部选用空气。某设计院近几年选用空气源热泵为冷热源的项目占该院空调项目总数的30%左右。以空气源热泵为冷热源的项目有商场、写字楼、办公楼、酒店、厂房、综合楼等多种建筑类型[2]。至2002年,合肥市高层建筑使用空气源热泵作为冷热源的比例约为20%[3],使用其它低位热源热泵的工程实例还不多见。1998年,一项对上海200栋高层建筑进行的调查结果显示约30.3%的被调查高层建筑使用空气源热泵作为空调冷热源[4]。 由上述调查结果可以看出,高层建筑的热泵低位热源多采用空气。究其原因如下:高层建筑多位于城市中心区,建筑用地紧张,有些地段,由于见缝插楼,土地使用强度超负荷。在北京四环路旁,高层建筑挤占人行通道及绿地的现象已屡见不鲜。拥挤的城市环境使得需大面积占地的低位热源的使用成为空谈,因而太阳能、土壤、地下水源作为低位热源受到极大限制。 但由于常规的空气源热泵在低温条件下将出现蒸发器结霜,机组制热能力下降,压缩机工作条件恶化等问题,使得空气源热泵的使用受到地域条件限制。目前空气源热泵仅在我国长江中下游、西南、华南地区(我国气候区分的Ⅲ、Ⅳ区)得到了广泛的应用[5]。要想在北方高层建筑中使用空气源热泵,充分发挥空气源热泵的节能、环保的特性,必须设法解决上述问题。双级耦合热泵使这些问题的解决成为了可能[5]。为此,本文将探讨双级耦合热泵在北方高层建筑中应用的有效性。 1·双级耦合热泵系统 双级耦合热泵冷热源系统由空气/水热泵、低温水环路、水源热泵、冷却塔四部分组成。其原理如图1所示。 夏季,内外区水源热泵均按制冷工况运行,向低温水环路中释放热量。此时的低温水环路实际上是水源热泵的冷却水循环系统。冷却塔投入运行,释放建筑富余热量。 过渡季,外区水源热泵制热,内区水源热泵制冷。处于制热工况的水源热泵从水环路中吸收的热量与处于制冷工况的水源热泵向水环路中释放的热量基本持平衡,水环热泵处于最理想的运行状态。此时系统热量自给自足,冷却塔、空气源热泵同时处于停机状态。若制热吸收的热量大于制冷释放的热量,则水环路水温下降,当温度低于一定值(10℃)时,应按需要开启适当台数的空气源热泵为系统补热。若制热吸收的热量小于制冷释放的热量,则水环路水温上升,当温度高于一定值(32℃)时,使部分水流经冷却塔,以保证水温处于设定范围。 冬季,几乎所有水源热泵都要从低温水环路中取热。水环路中的热量来源于空气源热泵。低温水环路的水温设定在10~20℃,以使空气源热泵的冷凝压力不太高,降低空气源热泵压缩机的压缩比,改善其运行条件,提高其效率。同时又为水源热泵提供了较适宜温度的低位热源,使其始终在高效下运行。 2·几种具体的系统方案 根据水源热泵的设置方式及末端装置的不同,可以有以下几种具体方案: (1)水源热泵为水/水热泵,集中设置。将水源热泵分为两组,分别负责内外区负荷,如图1所示。 夏季,内外区水源热泵均按制冷工况运行,向低温水环路中释放热量。此时图1中阀门e、f、i、j、m、n关闭,b、c、d、g、h、k、L开启,水泵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ运行。冷却塔投入运行,调节阀门a的开度,以控制通过冷却塔的水量。水/水热泵工作,为末端装置提供冷冻水。空气源热泵处于停机状态。过渡季,外区水源热泵制热,内区水源热泵制冷。冷热量在低温水环路中相互中和,此时系统热量自给自足,冷却塔、空气源热泵同时处于停机状态,即阀门b、c、m、n均关闭,水泵Ⅰ停止运行。若制热吸收的热量大于制冷释放的热量,则水环路水温下降,当温度低于一定值(10℃)时,应按需要开启适当台数的空气源热泵为系统补热,打开阀门m、n,调节阀门k的开度控制通过空气源热泵的水量。若制热吸收的热量小于制冷释放的热量,则水环路水温上升,当温度高于一定值(32℃)时,使部分水流经冷却塔,以保证水温处于设定范围。即关闭阀门m、n,打开阀门b、c,水泵Ⅰ运行,调节阀门a的开度控制通过冷却塔的水量。 冬季,阀门b、c、e、f、i、j、k关闭,a、d、g、h、L、m、n开启,水泵Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ运行,冷却塔停机,空气源热泵、水/水热泵投入运行。空气源热泵制备10~20℃的低温热水,作为水/水热泵的低位热源。 水/水热泵制备50℃左右的热水供应末端装置。方案对应的末端装置灵活多样,可以选择风机盘管、空调机组、辐射板、辐射吊顶、辐射地板等形式中的一种或多种。由于热泵集中设置,管理维修方便。用户可以根据需要通过调节末端装置调节送入房间的冷、热量。 (2)水源热泵为水/水热泵,在分层的基础上,分内、外区设置。 运行模式和对应的末端装置同上。这种设置方式高温水环路(亦为冷冻水环路)短,能量损失小;低温水环路在楼内不需要保温。但设备多且分散,管理维护较复杂。 (3)水源热泵为水/空气热泵,分散设置。此方案省去了末端装置,水源热泵妆接负担冷、热负荷,具有更好的节能效果。用户可以根据自己的需要自主选择制热还是制龄,调节方便,且便于热计量。 (4)水源热泵为热泵型水冷VRF系统。 此方案不需另设末端装置,水管不进入室内,更为整洁美观。多联机可选择热泵型,利用水环路实现热回收,以节约投资。由于水管路的引入,制冷剂管路的长度不再是限制水冷VRF系统使用的因素,适应了多数高层建筑面积大的特点。该系统连接方式如图2所示。业主可根据需要,综合各方面利弊,可选择上述方案中的任何一种。 3·高层建筑室外空气换热器的安装问题 室外空气换热器布置应保证气流通畅,避免气流短路。室外空气换热器应优先考虑安装在主楼、裙房的屋面上。对于屋面不能满足安装需要的情况则须将室外换热器安装在设备层内。设备层周边布置空气换热器,采用图3所示的筒中筒形式,左图为设备层平面图,右图为剖面图。为保证换热效果,将换热器布置空间用水平隔板分为上下两部分,空气换热器安装于下层。上层周边百叶风口向上倾斜一定角度,下层周边百叶风口向下倾斜一定角度,以起到防止气流短路的效果。换热器与空气源热泵一一对应,不同换热器及其对应风机间用竖向挡板隔开,以使各热泵相互独立互不影响。风机均匀布置于水平隔板上,一台空气源热泵可以对应数台风机,通过控制风机的开启台数调节通过换热器的风量。 4·提高季节性能系数方法的探究 (1)回收排风余热 高层建筑在多数情况下须要设置排风系统,排风中含带着大量的余热。若设法将排风引人室外机与室外空气混合,可以提高通过室外换热器的空气温度,从而改善压缩机工作性能,提高机组COP值,降低系统能耗。这样,既可以提高系统的供热性能系数,又可以为系统提供一个更优越的运行条件,可谓一举两得。该热回收方案不须增设额外的换热器、热管等热回收装置,仅设置必要的管道、风机,将排风引至指定地点即可。 (2)利用建筑周围的上升热气流 在太阳辐射下,由于自然对流的作用,建筑外表面会诱导产生贴附上升的气流[7],在环境风速较小时,可能对空气换热器的工作造成影响。对于空气换热器设置与建筑上部的情况,可以考虑对这种贴附气流作合理利用,以提高换热器的进风温度。 除上述两种方法外,还可以考虑单、双级混合运行的模式以提高系统的效率[8]。即当室外温度不太低(高于-3℃)时,由空气源热泵制备50℃左右的热水,直接供末端装置使用。如图1所示,阀门a、e、f、L、m、n开启,其余阀门关闭,水泵Ⅱ运行,阀门k用于调节通过空气源热泵的水量。冷却塔、水源热泵停机。室外温度低时(低于-3℃)系统按双级运行。这样就一定程度的克服了双级耦合热泵能耗大的缺点。但这种运行模式在水/空气热泵和水冷VRF系统两种方案中无法实现。 5·结束语 针对双级耦合热泵在高层中的应用进行了初步的探讨,提出了几种可供选择的系统形式,并给出了两种适合高层建筑的提高系统供热季节性能系数的方案。在今后的工作中,笔者还将以几个典型供暖城市为例,从定量的角度对双级耦合热泵在北方高层建筑中应用作进一步的预测分析,并进一步分析两种提高供热季节性能系数方法的经济性。期待您的关注与指正。 参考文献 [1] 刘玮.中小城市高层建筑现状及发展[J].工程建设与档案,2004,2:19-22. [2] 张建忠,龚延风,杜垲.空气源热泵冷热水机组在南京的应用[J].中国建设信息供热制冷,2002,1:27-29. [3] 苏小明,王晏平.合肥高层建筑空调冷热源发展及能耗分析[J].制冷空调与电力机械,2006,27(3):69-71. [4] 范存养,龙惟定,胡仰耆.上海高层建筑建设与空调系统的设计[J].暖通空调,1998,28(2):10-16. [5] 马最良,姚杨,姜益强.双级耦合热泵供暖的理论与实践[J].流体机械,2005,9:30-34. [6] 沈明,宋之平.空气源热泵应用范围北扩的可能性分析及其技术措施述评[J].暖通空调,2002,32(6):37-39. [7] 林波荣,李晓峰,朱颖心.太阳辐射下建筑外微气候的实验研究[J].太阳能学报,2001,3:327-332. [8] 王洋,江辉民,马最良,等.单、双级混合式热泵系统切换条件的实验研究[J].暖通空调,2005,2:1-3. |
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