地源热泵系统的热回收分析

1、建 筑 节 能地源热泵系统的热回收分析J I A N ZH U J I E N EN地源热泵系统的热回收分析张娟娟，程小菲，沈致和（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）摘 要：土壤的热堆积问题是地源热泵推广应用过程中必须解决的问题，而热回收是实现土壤热平衡的 有效途径。文章结 合双冷凝器的设想，分析了一种全年均可进行热回收的地源热泵系统，同时给出了该系统地埋管长度的确定方法。结合对工程实 例的具体计算结果表明，该系统能够有效解决热堆积 ，充分实现全年的放、取热量平衡。关键词：地源热泵系统；热回收；热量平衡；双冷凝器中图分类号：TU 833文献标识码：A文章编号：1673

2、5781（ 2011） 01 0080 03地源热泵系统利用大地的低位热源对室内进行温度调节。与一般的空调系统相比 ，其具有较高的蒸 发温度和较低的冷凝温度，节能环保效果显著，近年 得到了大范围的推广。夏热冬冷地区每年炎热季节有3 4个月，寒冷11天气有2 3个月，夏天需要制冷，冬天需要供暖。 但是，一般情况下该地区的夏季冷负荷大于冬季热负 荷，此时地埋管换热器对土壤的放热量大于取热量。 地源热泵长期在此状态下运行会使土壤温度逐步升 高，埋管内介质与土壤的温差降低，减弱其换热能力，进而影响系统性能21。同时，放取热量的不平衡也导 致土壤的热堆积，破坏土壤的稳定性，造成严重的生 态危机。1系统介

3、绍与分析生活热水生产设备一般按照历年最不利条件选取，夏季的运行效率较低，而空调的夏季冷凝热加重 了地埋管的换热负担。结合双冷凝器的设想31，夏季直接用地源热泵系统的冷凝热来制备热水，可满足用户的热水需求，同样，冬季和过渡季节也可以利用同 一套地源热泵系统进行热水生产。该系统适用于夏 季空调负荷大于冬季采暖负荷的建筑，其优缺点还需要长期的实际运行来检验。本文对一种双冷凝器的地源热泵热回收系统进行分析，证明其可以在减少地埋管长度的基础上，平衡冬夏两季土壤的冷热负荷。避免因系统长期在放、 取热量不平衡的情况下运行造成的埋管周围温度上升的热堆积问题。1 1 系统原理图1所示为双冷凝器热回收系统原理图，

4、在制冷工况下，开关V 1打开，V2关闭，地源热泵的 蒸发器 侧与建筑内的空调用冷端进行换热，地源热泵的冷凝器2侧与地埋管换热，冷凝器1侧与储热水箱换热， 回收一部分冷凝热。在制热工况下，开关V 2打开V 1关闭，地源热泵的蒸发器侧与地埋管换热，地源热泵的冷凝器2侧与建筑的空调采暖端换热（过渡时期不 工作），冷凝器1侧与储热水箱换热。1.用户末端2.集水器（用户侧）3.节流设备4.蒸发器5.压缩机6.分水 器（地源侧）7.地埋管8.集水器（地源侧）9.热用户10.蓄热水箱11.冷 凝器1 12.温控阀13.温度传感器1 14.冷凝器2 15.分水器（用户侧）图1热回收的系统原理图该系统采用双冷凝

5、器，冷凝器1吸收冷凝热生产 生活用水，冷凝器2在制冷工况下向地下释放热量，在采暖工况下供热给用户采暖。1 2 放、取热量计算夏季工况下，该系统处理空调冷负荷向土壤放热，生产生活热水吸收热量，夏季的放热量也就是全收稿日期：2010 11 20; 修改日期：2010 12 08作者简介：张娟娟（1986-），女，安徽合肥人，合肥工业大学硕士生；沈致和（1963-），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学教授张娟娟，等：地源热泵系统的热回收分析J I A N ZH U J I E N E N年的放热量。根据文献4可以得到如下能量关系 当冷凝热回收满足生活热水负荷时管长度5 81 ,即1 000Q c(

6、R P + R sF c ) EER + 1Q f = Q f - Q r1当冷凝热回收不满足热水负荷时(1)EERQf = Q f - ( Q r1 - Q f ) COP - 1COPEE R + 1Q Q EER其中，Q f为系统全年向地下的放热量 夏季加热生活热水需要的热量 热泵主机制热系数；为热 EER为地源热泵主机制冷系数 累计制冷负荷，kW h。冬季工况下，地源热泵系统处理空调热负荷与生 ，地埋管总的取热量为,kW泵机(2)(3),kWh; COP为地源组的热回收效 为夏季热泵机组h; Q r1 为率;产生活热水均需要从地下取热 二者之和。其能量关系如下Q q1 = QQ q =

7、 Q yq + Q r2COP - 1COP(4)(5)Qr2 = Q r2 COP - 1CoP其中，Q q1为冬季地源热泵系统从地下的取热量, kW h; Q r2 为冬季 生产生活热水从地下的取热量，kW h; Q y为冬季热泵机组累计制热负荷，kW h;Q 为冬季生产生活热水需要的加热量，kW过渡季节时，空调系统不需要冷量或热量 热泵的开启仅用于热水生产 生活热水的取热量，即(6)h。,地源，地埋管取热量等于生产Qr3 = Qr3 COP - 1COP其中，Qr3 为过渡季节热泵系统从地下的取热kW h; Q r3为过渡季节生产生活热水需要的加热量，(7)kW h。根据以上对地埋管全年

8、放取热量的计算 到保证地埋管全年的放、取热量平衡需要满 关系：,可以得足以下(8)，优 先满足夏季的热水负荷，之后考虑冬季热水负荷，如 果还不能够达到放、取热量的平衡，可在过渡季节开启热泵机组制取生活用水。Q f = Q q1 + Q r3考虑夏季进行冷凝热回收可以降低系统能耗1 3地埋管长度计算夏季工况下，由冷负荷与热水负荷共同决定地埋Pl(T max - T h )EE R Q c = Q c - Q w 1EER + 1冬季工况下，由热负荷与冬季热水负荷共同决定 地埋管长度5 81 ,即.1 000 Q h ( R P + R sF h ) COP - 1L h =(T 1 - T m

9、in )Q h = Q h + Q w 2COP(9)(10)(11)(12)其中，Lc为由制冷工况确定的埋管长度，m ; L h为由供热工况确定的埋管长度，m; Q c为热泵处于最高进口流体温度时的制冷负荷，kW; Q h为热泵处于最低进口温度T min时的制热负荷，kW; R P为地下埋管管 道热阻；R s为土壤热阻；T 1为土壤年最低 温度，T max为制冷工况下热泵的最高进口流体温度，；T m in为制热工况下热泵的最低进口温度，；T h为土壤年最高温度,;F h为热泵供热运转系数,F h = 最冷月热泵的运行小时数24最冷月的天数;Fc为热泵制冷运转系数最热月热泵的运行小时一数亠24

10、最热月的天数y为热泵处于最咼进口流体温度T max处于最低入口流体温kW; Q w 1为夏季热 荷,kW。根据(9) ( 12)需要兼顾空调热负荷、2工程实例时空调的最大冷负荷，kW; Q h 为 度T m in时空调的最大热负荷，水负荷，kW; Qw2为冬季热水负式，在进行该系统的地埋管设计时冷负荷以及冬夏的热水负荷。量，该工程为合肥市某办公楼建筑物，总建筑面积为2 23 909 m 。总建筑空调面积为2 470 m ,夏季制冷周期为105 d,冬季采暖周期为 80 d,其余为过渡季节周 期。工程为办公建筑，内设食堂，全年均有一定的热 水需求量,可以采用上述热回收系统。用DeST 91软件对

11、该建筑进 行模拟计算后 得到该工程全年最大冷负荷为476 91 kW, 全年最大热负kW,制冷周期内累计冷负荷为 h,供热周期内累计热负荷为 h。热水负荷为 116 kW,制冷周期累146 160 kW h,过渡时期累计热水负荷为239 51356 905 6 kW156 914 1 kW计热水负荷为荷为250 560 kW h,供热周期累计热水负荷为111 360 kWh。本工程选用的地源热泵系统EER =l!工程与建设2011年第25卷第1期 81 14 5, COP= 2 8。地埋管侧取热量计算：程实例的计算，可以得到以下结论：在夏热冬冷地区 采用双冷凝器对地源热泵系统进行热回收可以在有

12、J I A N ZH U J I E N EN张娟娟，等：地源热泵系统的热回收分析夏季制冷工况下，根据(1)、( 2)、( 3)式计算得到Qf 为 290 057 2 kW h, Q1 为 146 160 kW h。冬季采暖工况下，根据(4)、( 5)、( 6)式计算得到Qq 1 为 172 462 kW h, Qr 2 为 71 589 kW h。为了平衡系统全年的放、取热量，根据以上计算结果以及(8)式计算得到 Qr3为117 595 kW h。根据(7)式可以推算岀系统过渡季节，实际可以用于加 热生产热水的热量为18 kW h,而热水负荷为 250 560 kW h 。因此，过渡季节需

13、要减少热水供应 时间583 h,可以适当添加其它辅助的热水加热 设备。通过计算可以得到未进行热回收时全年向地下的放热量为 335 345 kW h。根据以上计算结果及(9)、( 11)式计算后可知：夏 季工况下地埋管长度为10 881 m ;冬季工况下地埋管长度为7 412 m。因此，该工程的地埋管设计长度 为 10 881 m 。3结束语效平衡地埋管的放、取热量。同时 ，在满足用户空调需求的基础上，生产生活热水，一套系统多种用途，最 大程度得实现了节能减排。参考文献1 中国建筑业协会.建筑节能技术M .北京：中国计划出版 社,1996.2 李满峰，周国峰，范波.土壤源热泵 系统冷凝 热回收的 优化研究J.低温与超导，2010( 1) : 11-15.3 龚光彩，常世钧，马扬，等.蒸汽压缩式水冷制冷机的双冷凝器热回收技术J.建筑热能通风空调，2005, 24( 1) : 8- 9.4 王福军.计算流体动力学分析C FD软件原理与应用M .北京：清华大学出版社,2004