（环境工程专业论文）低温送风、冰蓄冷、地源热泵空调系统若干问题的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近几年，“节能减排”政策一直是政府工作报告中的最重要议项之一。资源紧缺，人类 生活环境遭受威胁，使空调行业面临巨大的挑战与责任。作为国民经济基础产业之一的电 力行业，节能在其中更是具有重要的意义。空调行业占我国用电总量的很大一部分，因此 要求空调行业节能是必然的趋势，而冰蓄冷就是在此形势下发展起来的一种技术。单纯的 冰蓄冷虽然可以起到移峰填谷的作用，运行费用比常规冷源更节省，但庞大且控制复杂的 蓄冷系统使冷源的初投资、制冷机的实际能耗都比常规冷源高出许多，低温送风空调方式 便应运而生。地源热泵系统由于节能、环保等优点得到政府的大力推广。地源热泵和冰蓄 冷技术的联合运行，既可使用户使用到冬季廉价的地热能资源，又可使用户使用到具有良 好舒适性的冰蓄冷空调制冷。 本文阐述了地源热泵与冰蓄冷结合空调的原理和设计地源热泵系统的基本原则与方 法。分析了地源热泵系统应用于冰蓄冷低温送风空调中的节能意义。分析了低温送风空调 与全热交换器、室内干冷设备联合适用时空气的焓湿图处理过程，提出了正确确定新风经 过全热交换后状态点的方法。研究空气的射流理论，推导得到圆断面射流、平面射流紊流 系数的近似求解公式。 对实际工程气流组织进行模拟，指出该工程设计中的不足地方，提出解决方法。模拟 用双层百叶作为术端送风口的情形，并认为：双层百叶水平横向扩散能力较低，在实验中 出现较明显的“空气幕”现象，不适合使用在如办公室等有效净高较低的空调房间。 建立了辐射地板供冷的实验平台，研究用低温送风解决辐射冷地板结露的问题。理论 分析了用低温送风实现温湿度独立控制的可能。 本文最后对低温送风的应用前景作了总结，并提出进一步研究的发展方向。 关键词：冰蓄冷地源热泵低温送风气流组织结露 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o l i c yo f e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e e n o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti t e r n si nt h eg o v e r n m e n tw o r kr e p o r t t h es c a r c er e s o u r c e sa r e i n c r e a s i n g l yr e d u c e d t h eh u m a nh a b i t a ts u f f e r st h et h r e a t b o t ho ft h e mm a k et h ea i r c o n d i t i o n i n gd o m a i nf u l lo fc h a l l e n g ea n dr e s p o n s i b i l i t y e n e r g yc o n s e r v a t i o ns e e m sm o r e s i g n i f i c a n ti nt h ee l e c t r i cp o w e rp r o f e s s i o nw h i c hi so n eo ft h eb a s i cn a t i o n a le c o n o m yi n d u s t r y a n dt h a t ，t h ee l e c t r i c i t yu s e di nt h ea i rc o n d i t i o n i n gd o m a i na c c o u n t sf o rt h ev e r ym a j o rp a r to f t h et o t a lu s e si nc h i n a t h e r e f o r e ，i ti si n e v i t a b l et or e q u i r es a v i n ge n e r g yi nt h i sa r e a t h ei c o s t o r a g et e c h n o l o g yi sd e v e l o p p e dq u i c k l yu n d e rt h i ss i t u a t i o n t h ep u r ei c es t o r a g et e c h n o l o g y c a ns h i f to n - p e a kp o w e rt o o f f - p e a kp e r i o d s ，a n dt h eo p e r a t i n gc o s ti sl o w e rt h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a ls y s t e m h o w e v e r , t h ee n o r m o u sa n dc o m p l i c a t e di c e s t o r a g ea i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mm a k e st h ei n v e s t m e n to ft h ec o l ds o u r c ea n dt h ea c t u a le n e r g yc o n s u m p t i o ne x c e e dt h e c o n v e n t i o n a ls y s t e m s o ，t h ec o l da i rd i s t r i b u t i o ne m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e t h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi sa d v o c a t e db yt h eg o v e r n m e n tf o ri t ss a v i n ge n e r g ya n d p r o t e c t i n gt h e e n v i r o n m e n t b yo p e r a t i n gw i t ht h ei c e s t o r a g et e c h n o l o g y , i tc a nl e tt h eu s e r su s en o to n l yt h e l o w - c o s ts u b t e r r a n e a nh e a tb u ta l s ot h ec o m f o r t a b l ec o o l i n gs u p p l i e db yi c e s t o r a g es y s t e m t h i sp a p e re x p a t i a t e st h ep r i n c i p l eo ft h eu n i o no ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa n dt h ei c e s t o r a g et e c h n o l o g y , a sw e l la st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fd e s i g n i ta l s oa n a l y z e st h e e n e r g ys a v i n ge f f e c tw h i l eu s i n gt h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pi nt h ei c e s t o r a g ea n dc o l da i r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n dt h e na n a l y z e st h ep r o c e s so ft h ec o l da i rd i s t r i b u t i o nc o m b i n i n gw i t ht h e a i r - t o - a i rt o t a lh e a te x c h a n g e ro rt h ed r ya i r - c o n d i t i o n i n ge q u i p m e n ti nt h ep s y c h r o m e t r i cc h a r t w h e r e a f t e r , t h er i g h tm e a n so fc o n f i r m i n gt h es t a t ep o i n ti nw h i c ht h ef r e s ha i rg o e st h r o u g ht h e e q u i p m e n tc a nb ea d v a n c e d a f t e rs t u d y i n go nt h ea i rj e tf l o wt h e o r y , w eg e tt h ef o r m u l a sw h i c h a r eu s e dt os o l v et h et u e b u l e n tf l o wc o e f f i c i e n to ft h ei e tf l o wi nt h ep l a no rt h er o u n ds e c t i o n l a t e r , i ts i m u l a t e st h ea i rd i s t r i b u t i o ni nt h eo f f i c er o o mo ft h ea c t u a lp r o j e c t ，p o i n t so u tt h e w e a kp o i n t s ，a n dt h e np u t sf o r w a r dt h er e s o l v e n t i ta l s os i m u l a t e st h ec o n d i t i o nw h e nu s i n g d o u b l ed e f l e c t i o ng r i l l et os e n da i r d u r i n gt h i se x p e r i m e n t ，i tc a nf i n dt h a tt h ed i f f u s i v i t yi n l a n d s c a p eo r i e n t a t i o no ft h ed o u b l ed e f l e c t i o ng r i l l ei sl o w , w h i c hi n d u c e st h ea p p e a r a n c eo fa i r c u r t a i np h e n o m e n o n s ot h ed o u b l ed e f l e c t i o ng r i l l ei sn o ts u i t a b l et ob eu s e di nt h ea i r c o n d i t i o n i n gr o o mw h e r ew i t hl o w e re 伍c i e n th i g h n e s ss u c ha st h e0 伍c er o o m w ee s t a b l i s har a d i a n tf l o o r c o o l i n gs y s t e m ，a n ds t u d yo nt h et h e o r e t i cm e t h o do fd e f e n d i n g t h ed e wp r o b l e mi nt h i ss y s t e mw i t ht h ec o l da i rd i s t r i b u t i o n a tl a s t ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do ft h ec o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， a n da d v a n c e st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h i sa r e a k e yw o r d s ：i c e s t o r a g e ；g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；c o l da i rd i s t r i b u t i o n ；a i rd i s t r i b u t i o n ；d e w 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：庄毒圭日期：三堕弯坐业闫 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签 指导教师签 日 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题的意义 纵观当前国内外形势，能源问题已成为各国政府的重要问题。当前我国“节能减排”政 策的提出，让国人不得不更加重视资源紧缺的紧迫性。而作为国民经济基础产业之一的电 力行业，节能在其中更是具有重要的意义。随着社会主义经济的稳步发展，电力供应高峰 不足，低谷过剩的矛盾愈显得突出。对解决这样的问题，可以采用调节电厂发电能力或者 调节用户负荷的方法解决。调节电厂的发电能力的方法对火电发电机组与核电发电机组而 言实现比较困难，经济性也不好。采用建筑抽水蓄能电站的方法技术上是可行的，但是一 次行投资较大，加上水泵、电机的效率影响，储能的回收率也只能达到6 0 左右。对此各 国政府制定用户用电优惠政策，鼓励用户多使用低谷电的电力以实现“移峰填谷”。【l 】 空调行业占我国用电总量的很大一部分，要求空调行业的节能是必然的趋势。气温每 变化一度，就会立刻反映到电力的需求上。而冰蓄冷就是在此形势下发展起来的一种技术。 蓄冰空调以其简单的结构和显著的社会效益日益受到社会各界的重视，其对我国的经济建 设和电网的调峰节能具有重要的意义。 1 9 8 3 年美国能源部主持召开了第三次“蓄冷在制冷工程中的应用“的专题研讨会，首次 提出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统，随后经过工程上的不断应用成功，人们对此有了 更加完善的认识。蓄冷与低温送风系统相结合成为空调行业的一种趋势，被称为暖通空调 工程中继变风量系统之后的最大改革【2 】。低温送风空调方式就是在蓄冷技术的发展下带动 起来的。由于送风温度的降低，与常规空调相比，低温送风空调方式在设计方法、设备选 型、通风、舒适性以及经济性评价方面都产生了一些新的研究课题。 目前在国内，采用冰蓄冷结合大温差送风的空调系统和冰蓄冷结合地源热泵的空调系 统的项目越来越多。在新的技术下，不论在设计还是施工、运行管理中都存在许多不成熟 的地方，那么如何使得系统间很好的融合，整体的优化成为设计中一个很重要的问题。 大温差送风技术在送风的末端形式也跟常规的空调存在很大的区别，不同功能的建筑 物采用的送风形式可能是千差万别的。向房间直接送4 1 0 。c 的空气，引起了一些有关散流 器能否使送风在达到工作区以前与房间里的空气充分混合的问题。在散流器表面结露的可 能性也是一个很重要的问题。因此对低温送风空调的送风木端的研究是很有必要的。 送风形式的问题必然会涉及到空调区域的气流组织的问题，也就是温度场、速度场等 关于舒适性方面的研究。送风末端如何配置才能使得空调区域的人员有较好的舒适度，是 研究该课题、设计该项目的最终目的，也是最重要的问题之一。 此外，对于冰蓄冷结合地源热泵的空调方式也有很多需要解决的问题。尤其是在设计 地源热泵系统时，设计中如何保证整个系统的冷却能力满足机组的要求，如何选择最佳的 冷却方式保证地源热泵系统的取冷和取热的均衡，什么条件下需要增加冷却塔等辅助冷却 设施，以及地热换热器受土壤温度的影响、受换热器进出水温度的影响和地源热泵系统的 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 连续运行对周围土壤温度层的影响等等，这些都是有必要去做研究的地方，最终才能很好 地指导设计、指导实践。 1 2 国内外研究现状 对于低温送风空调，美国和同本有不同的定义。 如表1 1 ，美国的低温送风应用历史较早，如4 的低温送风应用在湿度控制中，以及 9 的送风用于小型商业建筑的诱引送风等。2 - 4 的低温送风被用于医院的一次风诱引送 风系统。低温送风在美国的发展历史与冰蓄冷的应用并没有直接联系。当然，后来冰蓄冷 的出现使人们重新认识了低温送风的优势，使之得以进一步的系统化，得到了完善和发展。 现在美国的低温送风主要指低于1 0 的送风温度。 而在日本，通常的送风温度为1 5 1 6 ，比此温度低的送风称为低温送风，实际上应 用的实例多为1 0 1 3 ，故将1 3 定义常规送风和低温送风的分界线。 表1 1 美国、日本的低温送风空调的定义 传统空调低温送风空调 国名 送风温度冷冻水供水送风温度冷冻水供水 范围温度范围范闱温度范隔 美国1 0 1 5 & 4 4 - 1 0 l 4 日本1 5 1 6 7 s 1 3 4 5 美国的送风温度，不论是传统送风还是低温送风方式，其送风温度明显较日本低。这 与各自的设计规范有关，其中重要的一点是关于室内相对湿度的设计规范。美国的设计规 范可以允许室内相对湿度低于4 0 ；而日本的设计参数须符合建筑设备管理法的规定 要求，其中关于舒适性空调的室内相对湿度，要求不得低于4 0 ( 我国的设计规范基本与 此相同) ，也就基本上决定了空调送风温度需维持在l o 以上，从实际工程条件及经济性 等平衡的结果，日本一般选取l o 1 3 范围。应该说，这个限制主要是出于对冬季室内的 防静电的考虑，而低温送风多以夏季工况而论。1 3 】【4 】 由于低温送风系统与各国现行的舒适性空调设计标准及规范所规定的1 0 1 5 送风 温差相矛盾，传统的设计方法在许多方面已不再适用于低温送风系统，针对在实际应用中 出现的问题，大批的学者对低温送风空调进行了理论和试验研究。研究的焦点主要集中在 经济性评价和通风及舒适性评价两个方面。 1 2 1 用数值模拟方法进行的研究 ( 1 ) 郭永辉和刘朝采用三维紊流k - 模型，应用f l u e n t 6 1 计算室内空调的气固传热问 题，并对室内空调的气流组织形式，主要是对流速场、温度场进行数值模拟计算，为空调 室内的气流组织形式的优化设计及舒适性提供研究依据。【5 】 ( 2 ) 湖南大学李念平等就低温送风对室内空气环境的影响和技术经济性进行了研究， 表明低温送风空调系统具有改善室内空气坏境，节约初投资和降低运行费等特点。【6 】 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 ( 3 ) 2 0 0 2 年，中国建筑西南设计研究院的徐亚娟等通过计算机数值模拟和实验模型对冰 蓄冷低温送风的末端进行比较分析。研究表明：只要经过审慎的设计，用不带风机混合箱 的低温送风专用散流器，同样能实现满意的室内空气环境，喷嘴型散流器中的天花板式散 流器的各项测试指标都令人满意，而侧墙式喷嘴散流器的性能则略逊一筹射流动量损失 快，且伴有回流现象的发生。对旋流风口进行实验研究时发现，旋流风口在诱导比上表现 出比喷嘴型更高的性能，然而室内平均气流速度却普遍比喷嘴型低，相比之下，一般的多 锥型天花板式散流器在低温送风实验中表现不太令人满意一送出空气的过早分离造成冷 空气在工作区跌落，使空调区域的舒适性恶化，且在锥形边缘的表面还出现凝露现象( 送风 基越大，结露的可能性就越高) 。f 7 】i s 】 ( 4 ) 张智力，张旭，王迪军等用数值计算的方法对空调房间低温送风的射流特性进行 了模拟，得到了空调房间的速度场和温度场，并计算了相同冷负荷条件下，采用不同的送 风温度来满足空调负荷要求时房间的空气分布特性指标( a d p i ) ，为低温送风空调系统的设 计提供参考。例 ( 5 ) 东华大学陈叶青，秦孟吴，刘刚等人结合工程实例，比较低温送风和常规送风方 式下冰蓄冷与常规空调的经济性，指出了采用低温送风技术有助于缩短投资回收期，降低 了运行费用，并借助了c f d 手段，探讨了低温送风房间的气流组织，温度场分布。【l o 】 ( 6 ) 浙江大学制冷与低温研究所周俊凯在其硕士论文中介绍了空气射流运动的规律和 空气射流的参数方法，分析了在送风下可能会带来的一些问题，作为设计低温风口的基本 要求，同时参照国外现有低温送风风口产品，设计出低温风口样本，并制定一套详细的试 验方案，搭建试验平台，对低温风口样本进行实验测试。【l l 】 1 2 2 用理论分析方法进行的研究 ( 1 ) 北京建筑工程学院的丁涛等人在“低温送风空调系统送风口特性的研究”一文中指 出：将常规的双层百叶风口应用到低温送风空调系统中，利用相似理论导出室内送风气流 应遵循的准则方程。由此准则方程及实验数据回归出低温送风空气射流核心的速度衰减公 式，总结出主流区的速度分布公式，发现如果选择合适的送风速度( 当流速低于1 6 5 m s 时 将产生冷风沉降现象) 。双层百叶风口在低温送风状态下能产生令人满意的效果。【1 2 】 ( 2 ) 西南交通大学机械工程学院的蔡德源等研制了一种“风车一风扇诱导型”低温送风 专用散流器：风车一风扇装置与文丘里喷嘴相结合，由一次风提供动力，驱动安装在散流 器中心的轴流风车一风扇装置，风扇诱导顶棚回风与经喷嘴加速的一次风混合后送入室 内根据试验结果的分析与计算得出，这种新型诱导式末端有较高的诱导比，而且室内温 度、速度分布均匀稳定，人员在室内没有吹冷风感，室内噪声较低。【7 】【1 3 】 ( 3 ) 刘静，俞炳丰，高振生等总结了近年来与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统的研究 成果及进展，认为低温送风系统的研究主要集中在经济性评价和室内气流组织及热舒适性 评价两个大的方面。低温送风系统的经济性评价主要取决于室内参数和送风温度的设定及 末端送风方式的选择，分析了省能器循环的减少对低温送风系统全年经济性的影响。低温 送风的通风及舒适性主要取决于射流结构是否合理及描述室内空气品质和热舒适性的各 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 项指标是否达到标准，总结了在低温送风系统通风及舒适性方面的主要研究方法及研究成 果。最后提出了该技术未来的研究方向。【1 4 】 1 2 3 用工程实践方法进行的研究 ( 1 ) 杨光，苏夺，周凌云等通过对实际空调工程设计的分析阐述整体化蓄冰空调系统 这一新的设计理念所带来的显著经济效益和节能作用，重点介绍并分析了冰蓄冷、变风量、 低温送风、空调自控等关键技术的具体应用及实施方法和要点。【1 5 】 ( 2 ) 2 0 0 4 年广东省工业设备安装公司的王勇采用数值计算的方法通过一个算例探讨了 在低温送风系统中使用常规送风口所存在的问题，即由于送风量变小会导致夏季的室内温 度偏低、冬季的热风风速过低而使室内温度不能达到设计要求，并提出要有效地利用低温 送风技术就必须对送风1 ：l 进行改造，使其能通过诱导室内空气来增加送风量，以保证其 出口风速和温度能满足室内设计温度的要求。【1 6 】 前人在理论方面、数值模拟及工程实践等方面对此类课题做了很多研究，大部分局限 在气流组织、理论原理、送风术端的等方面。然而，对低温送风技术的推广运用研究的比 较少，比如低温送风技术和辐射供冷的联合运用，低温送风作为独立新风运行使用时候的 研究等方面。 1 3 本文的主要工作 本文第二章主要介绍了地源热泵与冰蓄冷低温送风空调联合运行的原理与基本设计。 并对地源热泵结合冰蓄冷空调实例的全天平均能效比进行计算和压焓图上的理论分析，证 明了地源热泵应用在冰蓄冷低温送风空调中具有较大的节能意义。 在第三章中主要着重于低温送风空调的研究。在此章节中给出低温送风空调新型系统 ( 全热交换器或室内显冷设备应用于低温送风空调系统) 的焓湿图分析，融入新的低温送 风计算方法，定义了全热交换器焓值交换效率与温度交换效率与计算方法。并认为该形式 低温送风空调系统的设计中，应该把新风经过交换器后的状态点给较准确的确定出来，这 样才能真实地确定送风进入冷却盘管前的状态。 第四章主要介绍低温送风空调的两种末端处理形式：低温散流器和混合箱。导出在圆 断面射流和平面射流下，紊流系数的计算公式。同时借助c f d 数值模拟方法，对某一实际 工程设计工况下房间的温度场、气流速度分布等进行模拟，预期得到空调的使用效果，得 到空调区域舒适度方面的重要参数，进而指导类似项目的实践、设计。 第五章将介绍低温送风应用于地板辐射供冷时候的情况。搭建地板辐射供冷的实验平 台，针对性的做了不同空调形式下的三组实验：单独使用地板辐射供冷、风机盘管联合地 板辐射供冷、独立新风结合地板辐射供冷。并探讨用低温送风解决地板辐射供冷的结露问 题的可能性。 第六章介绍了低温送风用作独立的新风实现温湿度独立控制的可能与前景。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章冰蓄冷低温送风空调与地源热泵联合运用的节能分析 众所周知，低温送风多采用冰蓄冷作为冷源，冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节， 起到“削峰填谷”的作用，但却无法在冬季供暖；而地源热泵技术虽然可以供暖制冷，但却 无法在夜间电力低谷时蓄冷，起到平衡电网负荷的功效。因此，地源热泵应用于冰蓄冷低 温送风空调系统，既可使用户使用到冬季廉价的地热能资源，又可使用户使用到具有良好 舒适性的冰蓄冷空调制冷。这样综合利用了两者的优点，既减轻了采用常规能源带来的环 境压力，还为平衡电网负荷做出了贡献。 地源热泵是利用地下土壤、地下水温度相对稳定的特性，冬季通过消耗少量的高位能 量( 电能) 把土壤储存的低品位热能转移到需要供暖的室内，夏季却将室内的热量转移释放 到土壤中，从而达到冬季供暖、夏季制冷的目的。把恒温带的岩土层与含水层看作是水源 热泵系统夏季释放热量的“汇”，冬季吸取热量的“源”，从能源与能量观点看，地源热泵系 统它本质上是一种夏季自身排放的冷凝热的“废热利用”，故地下的岩土层含水层仅仅是一 种“蓄热层”，是地源热泵系统运行的一种“环境”，并非是热能的来源、更非是“资源”。故 在设计原则上必须保持夏季向地下累计排放的热量与冬季向地下累计吸取的热量相等。 2 1 地源热泵系统的优缺点与适用条件【1 7 l 1 8 1 2 1 1 优点 ( 1 ) 由于其“热源”与“热汇”不是室外空气，而是地下温度稳定的土壤、砂土、砾石、岩 石与含水层，故不论供冷，还是供热，只要地上、地下设计正确，全年保持释热量与吸热 量的平衡，系统都能稳定运行； ( 2 ) 地源热泵由于其可在冬夏两季交互地蓄存冷热量，同时地球表面吸收并蓄存了近 4 7 的太阳能，此能量是人类每年利用能量总和的5 0 0 倍之多，这种蓄存于地表浅层的近 乎无限的能源是取之不尽用之不竭的，符合能源可持续发展的趋势。由于地下恒温带的温 度在供冷时，一般在2 5 0 c 以下，比室外空气温度低1 0 0 c 左右，供热时，一般在7 0 c 以上， 也比室外空气温度高1 0 多摄氏度，所以其全年能效要比空气源热泵高3 0 - 4 0 ； ( 3 ) 没有了室外设备( 如冷却塔) ，取消了辅助热源，减少了保养费用，改善了建筑外观 的美观，消除了安全隐患( 相对于分体空气热泵的室外挂机) ； ( 4 ) 不向大气排放冷凝热，有效减少热岛效应，又便于提供全年生活热水。 2 1 2 缺点 ( 1 ) 地源热泵系统的初投资较高： ( 2 ) 需要有一定土地面积的室外建井场地； ( 3 ) 其性能好坏程度依赖于精心设计、精心施工与严格、科学的运行管理； ( 4 ) 熟悉g s h p 系统的、合格的、负责任的设计者数量有限； ( 5 ) 有经验的、合格的承包商数量有限。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 3 适用条件 ( 1 ) 全年室外空气平均温度( 或地下恒温带温度) 处于1 肚2 0 0 c 的地域； ( 2 ) 具有经济打井的地质条件和具有合适浅层地下水资源的地域； ( 3 ) 全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程； ( 4 ) 夏季供冷温度不低于5 0 c ，冬季供热温度不高于6 0 0 c 的工程。 中国工程院院士江亿指出推广热泵必须的原则：一是全年由地下埋管系统提供的冷量 与热量之间一定要基本平衡。由于是大面积垂直埋管，因此整个地下埋管系统与外部环境 进行热交换的能力就很差。这要求冬季蓄入地下的冷能够在夏季被全部利用；反之，夏季 蓄入地下的热能能够在冬季全部被利用。如果这个平衡不能满足，就会导致地下系统的温 度逐年升高( 当冬季取热量小，夏季取冷量大时) 或降低( 当冬季取热量大，夏季取冷量 小时) 。若干年后，系统可能由于性能恶化而报废。例如北京某个超大规模计算机设备机 房就准备采用地源热泵系统。而这个机房由于内部的发热量很大，全年都是冷负荷，需要 供冷。这时如采用地源热泵系统，必然会造成地下温度逐年升高，最终散失冷却功能。这 样的建筑还是应该采用冷却塔排除热量。 二是以地下土壤为介质，进行季节性蓄能，就必须要有足够体积的地下土壤。对于一 些高层建筑，如果这边没有足够的可用来埋管的地表，就很难找到足够体积的地下土壤来 进行蓄能。所以一定只有在低容积率的条件下才适合用地源热泵。高容积率的场合或由于 蓄热管道深埋造成投资过高，或者由于用于蓄能的地下土壤的体积不足而造成性能不佳， 这也是需要十分重视的问题。 2 2 地源热泵与蓄冰低温送风空调联合运用的原理及基本设计 2 2 1 运行原理 地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统主要由以下系统构成：室内供冷热系统、三工况 地源热泵机组工质循环系统、冰蓄冷系统和地热换热系统。联合运行原理如图2 1 所示。【1 9 1 t lt m硼 图2 一l 地源热泵与蓄冰系统联合运行原理 系统通过地源热泵机组将地下的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 释放到地下去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能储存于地层中以备冬用，同 样，冬季可以将富余的冷能储存于地层以备夏用。 这样，通过利用地层自身的热工特点实现对建筑物和环境的能量交换。在制冷状态下， 通过蒸发器内冷媒的蒸发将室内末端循环所携带的热量吸收至冷媒中，吸热后的冷媒通过 地源热泵机组内压缩机对冷媒做功，进行汽一液相变转化的循环。再通过冷凝器内冷媒的 冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，热量最终由水路循环转移至土壤里。热泵经 过夏季的运行，地热换热器不断将热量排入到土壤中，地温逐渐升高。同时，地表浅层作 为一个巨大的太阳能集热器在夏季不断吸收太阳辐射的能量而蓄积起来。 这样在制热状态下，地下的水路循环吸收土壤里的热量，通过蒸发器内冷媒的蒸发， 将水路循环中的热量吸收至冷媒中，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀 将冷媒流动方向换向。在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由室内末端循坏将 冷媒所携带的热量吸收。 2 0 l 2 2 2 地源热泵系统的设计 地源热泵系统工程技术规范g b 5 0 3 6 6 2 0 0 5 ) ) 规定：地埋管换热系统设计应进行全年 动态负荷计算，最小计算周期宜为1 年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸 热量相平衡。地埋管换热器换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或释热量的要求。在技 术经济合理时，可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。 2 h ( 1 ) 地源热泵系统负荷的计算 在系统选择，设备选型及进行地源热泵系统设计之前，必须对建筑物的冷、热负荷进 行精确的估算。这样才能确定地源热泵系统主设备的容量及系统需要的附属设备的选择， 如热交换器或对水井的要求等。 计算建筑负荷的方法主要有四种。 2 2 1 1 ) 指标估算方法。这种方法主要是根据经验指标，或者将已建大楼的统计数据作为 指标进行估算。我们知道，影响建筑负荷的因素很复杂，各种建筑的功能、建筑形式、使 用方式有很大差别，并且指标估算法无法得出设计日最大负荷和全年累计负荷。因此这种 方法只能用于规划设计、初步设计和工程校核，当然也就不能作为地源热泵系统负荷的计 算方法。 2 ) 用温度频率法( b i n 方法) 做建筑负荷分析。设计负荷在一年中出现的机会很少， 多数时间处于部分负荷状态下。这种方法是统计某一地区室外空气干球温度逐时值的出现 频率。也就是说根据某地气象参数，统计出一定温度间隔的温度段各自出现的小时数。分 别计算在不同温度频段下的建筑能耗，将计算结果乘以各频段的小时数，相加便可得到全 年的能耗量。这种方法将建筑负荷按温度进行排序，但忽视了负荷的“时序”性，因而也是 不能作为地源热泵系统负荷的计算方法。 3 ) 用典型设计同法做建筑负荷分析。这就是按设计日逐时计算方法。它可以得出设 计同一天逐时负荷，一天中最大负荷时刻。但设计负荷在一年中出现的机会很少，这种方 法无法得出全年累计负荷，无法准确计算复杂建筑和内外区分区负荷，并且没有考虑过渡 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 季节时建筑部分负荷的情况和设备的部分负荷效率，因而也是不能作为地源热泵系统负荷 的计算方法。 4 ) 用动态法做建筑负荷分析。利用动态计算方法计算建筑全年的动态负荷，可以得 出很详尽的数据，包括：最热同的最高冷负荷、逐时的最高冷( 热) 负荷、逐同平均冷( 热) 负荷、逐月平均冷( 热) 负荷、全年冷( 热) 负荷的累计值及生活热水负荷等。是目前地源热泵 系统较多采用的负荷计算方法。清华大学建筑技术科学系根据国内的实际情况而开发的设 计用模拟工具d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t ) 就是一个可以进行建筑全年负荷动态 模拟的设计软件。 ( 2 ) 地源热泵系统主设备及附属设备的选型 对于常规空调系统的设计，尤其在我国南方，设计人员通常是先计算夏季建筑的冷负 荷，然后根据计算出来的冷负荷去选择末端设备，进而确定冷源的供冷量。而对于冬季的 供暖空调负荷，往往只进行校核计算。并且目前市场上绝大多数的冷源设备、末端设备等， 设备的供冷量均一定程度地小于制热量。这样对于南方地区，因为其热负荷一般而言都是 小于夏季冷负荷要求的，也就是说根据夏季冷负荷选择的设备在冬季运行时候，设备的供 热量是完全满足要求的。这种设计方法一直到现在仍然占主流地位。 然而对于地源热泵系统的设计，在选择地源热泵机组供热制冷时，要根据不同区域建 筑物的基本状况进行设备的选择。在我国的南方地区，建筑物冬季的热负荷往往小于夏季 的冷负荷，而热泵机组往往都是制热量大于制冷量( 通常情况下热泵机组的制热量是制冷量 的1 1 1 3 倍) 。因此在机组选择的时候，如果按照冷负荷标准选择机组，则会导致机组的 制热能力大大超出建筑物的热负荷需求，造成机组投资和运行的浪费。而若按照热负荷标 准选择，则会出现夏季制冷量不够。这种情况如何解决? 首先肯定的是不能再按照冷负荷 标准选择机组。 那么能否考虑按照冬季热负荷标准进行选择? 考虑按照冬季热负荷标准进行选择地 源热泵机组，以冰蓄冷空调系统作补充的方式是目前地源热泵与冰蓄冷空调联合工程的主 要设计方法。这样不仅可以降低地热换热器的初投资，而且还可以实现地源热泵机组的间 歇运行，有利于土壤温度场的有效恢复。此外，冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节，起 到“削峰填谷”的作用，但却无法在冬季供暖；而地源热泵技术虽然可以供暖制冷，但却无 法在夜间电力低谷时蓄冷，起到平衡电网负荷的功效。因此，地源热泵和冰蓄冷技术的联 合运行，既可使用户使用到冬季廉价的地热能资源，又可使用户使用到具有良好舒适性的 冰蓄冷空调制冷。这样既减轻了采用常规能源带来的环境压力，还为平衡电网负荷做出了 贡献。 通过动态负荷的模拟计算，得出需要的数据之后，根据冬季的热负荷选择地源热泵机 组。机组选定后，根据机组的技术参数可以得到机组单台制冷量q 。、单台制热量q h 和对应 的输人功率。这样机组的制冷系数c o p 和制热系数c o p h 就可以确定。 利用这些数据以及全年冷( 热) 负荷的累计值可以进行地源热泵附属设备的选择计算。 文献 2 3 给出地热换热器的最大取冷量、取热量的计算方法： 2 3 1 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 q f2 q f ( 1 + 高) ( 2 - 1 ) 1 g = 绋( 1 一高) ( 2 - 2 ) 。4 式中，q 广- 土壤换热器最大取冷量，k w ； q 。一土壤换热器最大取热量，k w ； q c _ 主机制冷量，k w ； q l 广主机制热量，k w ； c o p _ 一夏季制冷循环性能系数： c o p h 一热泵冬季制热系数。 根据计算出来的土壤换热器最大取热量或最大取冷量( 对于南方亚热带地区一般情况 下是按照最大取热量) 设计地热换热器。关于土壤换热器的设计计算方法，文献 2 3 中给 出较详细的步骤和说明。 为保证土壤的热平衡而按照冬季热负荷标准进行选择地源热泵机组，对于夏季冷负荷 与冬季热负荷相差很大的地区来说就出现一个很关键的问题。亦即地源热泵系统冬季制热 时候，人们从大自然得到的热，在夏季这些热就要送回去从而制冷。那么很明显，按照冬 季得到的热释放回大自然是不能满足夏季的制冷要求的。而目前的很多该系统的设计是怎 么样一个情况呢? 根据调查，一些设计人员在考虑建筑当地有足够的地质空间作埋管系统 来满足夏季冷负荷的时候，他们往往采取按照夏季制冷量去选择设计。这就势必造成夏季 从大地的取冷放热与冬季的取热放冷不均衡。 2 2 3 地源热泵系统需注意的几个主要问题 当前在宣传、发展、与建设地源热泵系统中存在许多误区或者是错误的观点： ( 1 ) 对于国土资源部系统的自身误导。 使国土资源部自身错误地理解为在原有地热资源的基础上，似乎又发现了一种低品位 的“新的热能资源”，因而需要从中央到地方，大力进行勘查、评价、评估、规划，从而可 介入所有地源热泵系统的建设、利用与管理。而实际上，所有地源热泵系统的工作原理与 设计，根本不考虑、不关心，不利用这种所谓的“浅层地热( 温) 能”资源，而是把地下恒温 带的岩土层与含水层看作为是地源热泵系统“热汇”与“热源”的“蓄热层”，其地下恒温带适 中的温度变化范围仅仅是确保地源热泵系统高效、稳定、可靠运行的一种“环境条件”。 ( 2 ) 对于其它部门与地方政府官员的误导。 使其他部委及地方政府的官员错误认为，这是一种取之不尽，用之不竭，不用花钱买 的“新能源”。而实际上，所有地源热泵系统都是利用了其自身在夏季供冷时所排放的冷凝 热，将其储存在地下“恒温带”，到了冬季再利用水源热泵将所储存在地下的这部分“冷凝热” 取出来供暖。因此，从本质上讲，地源热泵系统的能源利用是一种“废热地用”。在这种“浅 层地热( 温) 能”错误观念的影响下，目前已经导致三北地区部分地方政府与官员，将地源热 泵系统盲目向只有冬季供暖要求，没有夏季供冷需要的成片居民住宅小区推广。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 对于设计人员、用户、业主的误导： 在这种“浅层地热( 温) 能”和取之不尽、可再生的“新能源”的“舆论宣传”与“政策指导” 下，将使原来就没有计算全年逐时冷、热负荷的不负责的设计单位，有了“借口”，得到了“庇 护”与无形“鼓励”；而且又会使原来认真计算全年逐时冷、热负荷和采取各种工程措施进行 全年冷、热平衡的设计单位与业主会渐渐削弱、放弃原来的科学设计方法和精心设计的严 谨作风，觉得过去的精心设计是“白费功夫”，“吃力不讨好”。最后，将导致我国的地源热 泵系统的建设与应用将面临全面失败的局面与命运。 针对上述的一些错误的观点，当前在宣传、发展、与建设地源热泵系统时必须用科学 的理论，合理的开发，正确的设计去解决好以下几个问题。 ( 1 ) 全年冷负荷与热负荷不均衡的问题。 对于我国南方的亚热带地区，全年冷负荷较大，热负荷较小，属于全年冷负荷为主， 热负荷为辅的情形。对于这种情形的地源热泵系统设计就必须充分考虑土壤冷热平衡的问 题。倘若按照所需肆意地利用地能而忽略或者不重视冷热平衡问题，势必导致若干年后， 土壤温度逐年升高，最终使得夏季制冷时机组冷凝温度升高导致机组制冷系数大打折扣， 甚至使系统瘫痪。 全年冷负荷与热负荷不均衡的问题可以用下面式子描述： 鹕g q ( 2 3 ) i = l j = l 式中：以一夏季第i 个小时向地下释放的冷凝热； g ，一冬季第j 个小时从地下吸取的热量； e h = ，一夏季累计向地下释放的总热量； = 。 a h = g h ，一冬季累计从地下吸取的