直接膨胀式土壤耦合热泵系统设计与施工

为 10 , 依据文献 [ 4] 冷凝温度定为 42 ; 过冷度 取 5 。不考虑制冷剂在地下铜管中的压降, 绘制 制冷循环压焓图如图 3 所示, 各状态点参数见表 1。
图 3 制冷循环 lg p-h 图
表1
状态点 温度 / 1 2 3 4 5 6 7 10 53. 93 42 42 37 2 2 压力 / M Pa 0. 314 6 1. 072 2 1. 072 2 1. 072 2 1. 072 2 0. 314 6 0. 314 6
表 2 直接膨胀式地源热泵空调系统 设备明细
名称 压缩机 四通阀 换热器 膨胀阀 风机盘管 冷水泵 膨胀水箱 油分离器 干燥过滤器 型号 ZB21K Q EQ ST F -0301G CB26 TE N5 -3. 7 FP -68WA / G GP-125 0. 2 m 0. 2 m A -W 55824 BFK-084S 型号 ZB21K Q E - PFJ ST F -0301G CB26 CB26 TE N5 -3. 7 FP -68WA / G GP-125 GP-125 0. 2 m 0. 2 m A -W 55824 BFK-084S 0. 2 m 单位 台 个 片 个 台 台 台 台 个 单位 台 个 片 片 个 台 台 台 台 台 个 数量 1 1 28 1 2 1 1 1 1 数量 1 1 28 35 1 2 1 1 1 1 1
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12 期
技术交流
61
直接膨胀式土壤耦合热泵 * 系统设计与施工
湖南大学 湖南大学
摘要
河南科技大学 张国强 周 晋
郭永辉 吴加胜
结合示范工程 , 介绍了直接膨胀式地源热泵系统的设计方法和施工要点。 详细分 直接膨胀 地源热泵 设计 施工
析和讨论了系统的初投资和冬夏季运行情况 。结果表明该系统运行稳定 , 达到了预期的效果 。 关键词
* 国 家 十 一 五 科 技 支 撑 项 目 ( 编号 : 2006BA J04A 05, 2006 BA J 04A 13) 郭永辉 , 男 , 1976 年 3 月生 , 博士研究生 , 讲师 410082 湖南大学土木工程学院 ( 0) 13974815247 E - mail: gyh763@ 163. com 收稿日期 : 2009 - 12 - 22 修回日期 : 2010 - 01 - 18 图 1 第二环路土壤耦合热泵系统示意图
图 2 直接膨胀式土壤耦合热泵系统示意图
多。而且制冷剂和周围土壤的温差比传统 GSHP 系统水 - 土壤温差更大, 因而地埋管换热器的换热效 率更高, 所需的管长大大降低, 施工费用降低。 4) 因换热效率高, 需要埋管的土地面积少。 直接膨胀式土壤耦合热泵系统存在的主要问题: 1) 地下铜管换热器系统设计复杂。地下铜管 换热器和土壤的换热过程是由管内制冷剂液体的 相变 ( 蒸发或冷凝) 换热过程、 管壁的导热过程、 回 填材料的导热过程和 周围土壤的导 热过程组成。 地下铜管的制冷剂两相流的传热与能量交换比较 复杂 , 比如制热时地下铜管作为热泵的蒸发器 , 制 冷剂液体在地下铜管中的沸腾属于非均质沸腾中 的管内流动沸腾 , 既是液体的沸腾过程, 又是非绝 热的两相流体的流动过程 , 这两个过程相互联系又 相互影响。 2) 回油问题。直接膨胀式土壤耦合热泵系统 制热运行时, 地下铜管换热器作为热泵机组的蒸发 器。低温低压的液态制冷剂在地埋管中蒸发成低 温、 低压气体, 而大部分润滑油仍然是液态, 从过热 区开始, 润滑油和制冷剂分离 , 由于润滑油的黏度 大, 润滑油流动阻力很大 , 同时由于地下管路长, 弯 头多 , 因此管路会积存润滑油。随着运行时间的增 加, 管路中的润滑油越积越多 , 压缩机会因为缺油 而损坏。 3) 制冷剂储液问题。在制冷工况运行时 , 地 下换热器管路作用为冷凝器, 制冷剂的状态为高温 高压的气体; 在制热工况运行时, 地下换热器管路 作用为蒸发器, 制冷剂的状态为低温低压的液体。 制冷与制热工况下 , 管路中制冷剂 的质量差别很 大。为满足系统的正常工作, 必须对系统的制冷剂 充注量随工况改变进行调节。 国内外学者对直接膨胀式土壤耦合热泵系统
各状态点参数
比焓 / ( kJ/ k g) 比熵 / ( kJ/ ( k g 407. 0 433. 7 420. 3 259. 4 251. 9 251. 9 399. 8 1. 752 1. 752 1. 710 1. 200 1. 176 1. 189 1. 726 K) )
由于制冷剂流动方向是变化的, 因此要Leabharlann Baidu过滤 器具有双向流动性。根据连接管路的管径 , 选用为 BF K - 084S 干燥过滤器。 7) 油气分离器 考虑该示范项目为小型氟利昂系统 , 油分离器 选择填料式。根据连接管路的管径及机组冷量确定 油分离器型号为 A - W55824。直接膨胀式地源热泵 机组的设备选型见表 2。参照 GB 50366 2009 地 源热泵系统工程技术规范 及相关文献, 在相同条件 下, 设计常规地源热泵机组。与直接膨胀式机组相 比, 常规机组多了一台循环水泵与一套板式换热器。 常规地源热泵机组空调系统设备明细见表 3, 设计 方法同直接膨胀式机组。
2) 压缩机的选型 压缩机是整个系统的核心部件, 对系统的运行 性能、 噪声、 振动、 维护和使用寿命等都有着直接的 影响。对直接膨胀式热泵机组而言, 压缩机要担负 地下换热器的阻力损失; 由于回油的要求, 压缩机出 口制冷剂的含油率要尽量小。结合示范项目制冷量 小的情况, 选用全封闭式涡旋压缩机。在环境气温 低及压缩比高的情况下, 涡旋式压缩机具有较高的 供热能力。涡旋式压缩机采用柔性传动结构 , 磨损 小, 工作性能可靠, 而且体积小 , 有利于机组的小型 化。并且涡旋式压缩机具有效率高, 出口制冷剂含 油率低, 力矩变化小、 振动小、 噪声低等优点。 依据文献[ 5] , 计算压缩机轴功率与额定制冷 量以及理论输气量, 选择涡旋压缩机 ZB21KQEP。 3) 换热器选型 从热效率、 经济性等综合角度考虑 , 采用板式 换热器。板式换热器结构简单 , 传热面积大, 易于 清洗、 拆装方便, 换热速率大。换热器选型是确定 冬夏季的换热量、 制冷剂进出口温度、 冷水进出口 温度、 蒸发器的水力损失数据的基础, 笔者选用某 厂家板式换热器 28 片。 4) 膨胀阀 为保证蒸发器出口有一定的过热度, 选用双向
方便。 2) 制冷剂循环管路直接埋入地下, 制冷剂通 过地下铜管直接与土壤接触并进行换热, 没有中间 换热环节和水泵耗功, 系统的效率更高。 3) 铜的导热系数( 399 W/ ( m K) 左右) 比高密 度聚乙烯的导热系数 ( 0. 42 W/ ( m K) 左右) 高很
62
技术交流
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12期 的研究关注较少, 成熟因而技术不够成熟。目前美 国和加拿大只有一些小型公司生产安装直接膨胀 式土壤耦合热泵系统, 安装数量极少。奥地利国内 60% 的热泵系统是直接膨胀式土壤耦合热泵系统 , 水平埋管式居多[ 2] 。从目前的发展情况来看 , 直接 膨胀式土壤耦 合热泵系统的制 热量普遍小 于 20 kW, 是典型的 一户一机 小型户式集中空调。我 国对直接膨胀式土壤耦合热泵系统的相关研究和 开发属于起步阶段。 2 设计方法及流程 从设计施工角度来说, 直接膨胀式地源热泵可 以分为热泵机组设备设计、 地下铜管换热器设计及 空调端设备与管道设计施工三部分, 其中空调端设 备与管道的设计施工和传统暖通空调设备的设计 施工一样 , 而地下铜管换热器设计、 热泵机组设备 设计有一定的特点 , 本文结合工程实例仅对热泵机 组设备设计与地下铜管换热器的设计及施工问题 作一讨论。 2. 1 工程概况 示范 工程 地 处 湖 南 省 浏阳 市 官 渡 镇 , 东 经 113. 08 , 北纬 28. 20 , 海拔高度 68 m, 为一幢两层 两户住宅 , 占地面积为 192 m 2 , 空调面积 60. 8 m 2 。 建筑冷负荷 5 kW, 热负荷 4 kW 。年室外平均温度 为 19 。 设计参数 : 夏季, 空调室外计算温度 35. 80 空调室内计算温度 26 0 , 空调室内计算温度 18 。 2. 2 直接膨胀式地源热泵机组设计方法与流程 示范地区属于夏热冬冷地区 , 热泵设计以夏季 降温为主 , 兼顾冬季供暖。故本系统按夏季工况设 计, 进行冬季校核。 1) 制冷剂的选择 制冷剂的替代是整个制冷空调行业所面临的 共同问题。文献[ 3] 提出在小型制冷系统中 R134a 是 R12 的优良替代工质。 R134a 具有较好的热稳 定性 , 其自燃温度为 770 , 而且与润滑油有良好 的互溶性 ; 同时 R134a 和润滑油对金属 , 如铜、 铁、 铝等 均 有 较 好 的 稳 定 性。该 示 范 工 程 中 采 用 R134a 作为制冷剂。 2) 制冷工况的确定 已知冷水供水温度为 7 南地区年平均温度为 19 , 回水温度 12 ,湖 。蒸发温度比冷水供水 ,
Hunan Univers ity, Hunan, China
1 直接膨胀式地源热泵 地源热泵以大地作为热源和热汇, 其换热器埋 入地下, 与土壤进行换热。近年来国内外正在加强 对地 源 热 泵 的 系 统 研 究, 其 中 土 壤 耦 合 热 泵 ( gr ound - co upled heat pum p, GCH P ) 是研 究的重 点。我国根据 GCH P 系统的地埋管换热系统是否 存在中间传热介质( 通常是水或添加防冻液的水溶 液) 分为第二环路土壤耦合热泵系统和直接膨胀式 土壤耦合热泵 [ 1] 。直接膨胀式土壤源热泵系统将 制冷剂铜管环路直接埋入土壤中, 实现制冷剂和土 壤的直接换热。在冬季供暖时 , 地下铜管换热器作 为热泵机组的蒸发器吸收土壤中的热量 ; 在夏季供 冷时 , 地下铜管换热器作为热泵机组的冷凝器向土 壤排放热量。第二环路土壤耦合热泵系统与直接 膨胀式土壤耦合热泵系统示意图分别见图 1, 2 。 直接膨胀式土壤耦合热泵系统有以下优点: 1) 系统中没有水 - 水换热器、 中间换热环路和 水泵及其辅助部件 ( 阀门等 ) , 系统更简单 , 安装更
Design and construction of di rect expansion ground -coupled heat pump systems
By Guo Yonghui , Zhang Guoqiang , Zhou Jin and Wu Jiasheng
Abstract Pre sents the design me thod a nd co nstr uction points r elated to a de monstra tio n pro ject. Analyses on the initia l investment and o per at io n in w inter and summ er sho w that the system w or ks smo othly and a chiev es ex pe cted eff ects. Keywords direct e xpansion, gr ound - so urce hea t pump, design, constr uc tio n
; 冬季, 空调室外计算温度
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12 期 温度低 5 , 设定为 2 。过热度选 8 , 吸气温度
技术交流
63
性的内平衡式膨胀阀。一般情况下, 膨胀阀的容量 比蒸 发器 制冷 能力 大 20% ~ 30% 。采用 型号 为 T EN5 - 3. 7 内平衡式膨胀阀。适用温度范围: - 70 ~ 10 , 可调节的关闭过热度: 2~ 8 , 制冷量: 标准/ 空调( 5. 8 kW/ 5. 3 kW) , 标称直径为 2 mm 。 5) 四通换向阀 四通换向阀也是系统中的关键部件之一。它 通过改变制冷剂流 向使系统达到制 冷、 制热 的效 果, 根据制冷剂管径及制冷量 , 选取 ST F - 0301G 四 通阀。 6) 干燥过滤器