地源热泵在暖通空调设计中应用

地源热泵在暖通空调设计中的应用

摘要：在倡导节能化的社会，地热热泵在暖通空调设计中得以重视，通过对其研究，利于节约能源，促进可持续发展。

关键词：地源热泵；暖通空调设计；应用

中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：

在倡导节能化的社会，地热热泵在暖通空调设计中得以重视，通过对其研究，利于节约能源，促进可持续发展。以下是对地热热泵的介绍分析。

一地源热泵技术在暖通空调设计中

地源热泵利用地下浅层地热资源(也称低能，如地下水，地表水，土壤等)的即可供热又可供冷的空调系统。地源热泵通过输入少量的低品位能，实现低品位能向高品位能的转移。地能分别作为冬季热泵供热的热源和夏季制冷的冷源。如在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖，夏季，把室内的热量取出来释放到地能中去。通常地源热泵消耗ikw的能量，用户可以得到4kw 以上的热量或冷量。

地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，尤其表现在对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点，可以有效节约能量的消耗，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的原始资金投入，同时，地源热泵还可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、办公楼、学校、

商场等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。二地热热泵空调系统的节能特性

其他热泵系统诸如风冷热泵系统在运行时都会遇到一个同样的尴尬问题,就是当我们最需要它们的时候,它们总是处在效率最低的时候。因为它们冬天运行时需要从室外空气(水)吸热,夏天运行时需要放热给室外空气(水)。由热力学第二定律可知两种介质之间的传热量是由这两种介质的温差决定的,冬天室外温度越低,热泵的冷媒和空气(水)间的温差越小,吸热量越小,供热情况则越差。同时,由于室内外温差较大,大量的热量从围护结构的缝隙中自室内泄漏至室外,要维持恒温,就需要同等的热量来补充这部分泄漏的热量。而此时的供热情况又不理想,无法提供同等的热量,所以出现了前述的尴尬问题,夏天则亦然。为了解决这个问题,冬天需要提供电加热器作为辅助供热设施,从而使整个供热系统的效率下降,耗费大量的能源。

风冷热泵机组的制冷量和能效比都是以室外温度为自变量的函数,所以风冷热泵机组的铭牌工况往往和实际使用时的工况有一定差距。以某一额定冷量为98 kw的风冷热泵为例,生产厂家给出的季节能效比(seer)为2.5,但是在国家标准规定的额定条件下测试结果(seer)却为2.2。当室外温度上升至37℃,风冷热泵的能效比下降到1.95,表示效率减少了11%;当室外温度上升至42℃时,风冷热泵的能效比下降到1.6,表示效率减少了27%,这意味着需要增加27%的电能才能达到相同的制冷效果。

地源热泵机组的性能是不随室外温度和湿度的改变而改变的,因为土壤的温度全年变化很小,地源热泵系统在夏季和冬季的能效比变化也很小。一个98 kw的地源热泵机组在制冷模式下,进水温度为12℃时的能效比大约是3.6。随着室外温度的变化,地源热泵机组和风冷热泵机组的能效比如表1所示

表1可见,地源热泵比风冷热泵的能效比明显要高,32℃时地源热泵的能量消耗比风冷热泵少40%,37℃时要少46%,随着温度升高,比风冷热泵少55%以上。当然如果考虑地源热泵机组能供热水的性能,它的能效比会更加高。与普通集中式空调系统相比,地源热泵空调系统的运行费用可以节省50%~60%。

三影响地源热泵空调系统节能特性的因素

地源热泵是把地表土壤作为热源的,要了解地源热泵的节能特性就需要了解地表土壤的热特性。

大地土壤中蕴藏着丰富的低温地热,它储存了取之不尽、用之不竭的低温可再生能源,这种能源被称为浅层低温地热能。其温度会随着地下深度和气候不断地变化,变化情况如图3所示。

地源热泵就是充分利用了这种浅层低温地热能,通过地埋管土壤换热器系统与大地交换热量,交换过程中的主要问题是需解决土壤冬夏季吸热和放热的平衡性。如果热量的取用不平衡,必然造成土壤的蓄热性变差。因为土壤与地下换热器进行热交换后,土壤内部也将进行不稳定的地传热,因此系统的性能与土壤性能是紧密相关

的。土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而异,不同的土壤作为热泵的低温热源的不同情况,目前还难以作出优劣的评价。影响这个传热过程的主要因素有两个:一是传热面积;二是土壤的热力参数,包括土壤的热工特性、大地的平均温度、土壤的含水率、土壤的密度、土壤的容积热容量,热扩散率和地下渗流等。

3.1热工特性

热工特性主要包括导热系数、容积热容量和热扩散率等。其中导热系数表示土壤传导热量能力的一个热物理特性指标,土壤的容积热容量表征土壤的蓄热能力,而热扩散率则表征土壤温度场的变化速度。导热系数、容积热容量、扩散率因土壤成分、结构、密度、含水量的不同有异,并随着地区不同和季节的变化而变化。在同一地区,土壤的放热量是土壤吸热量的80%。

3.2大地的温度

对大地土壤温度情况的了解是很重要的,因为大地与地埋管中的循环水之间的温差驱动热量传递,大地温度接近全年的地表面平均温度。根据测定,10 m深的土壤温度接近于该地区全年平均气温,并且不受季节的影响。在0.3 m深处偏离平均温度为±15℃,在3 m 深处为±5℃,而在6 m深处为±1.5℃,温差波动在较深的地方消失。根据资料记载,平均地下温度在60 m深度以下视为恒定。土壤越深,对热泵运行越有利。

3.3含水率

土壤的含水率是影响传热能力的重要因素,但水取代土壤微粒之

间的空气后,它减小微粒之间的接触热阻提高了传热能力。土壤的含水量在大于某一值时,土壤导热系统是恒定的,称为临界含湿量;低于此值时,导热系数下降。在夏季制冷时,热交换器向土壤传热,热交换器周围土壤中的水受热被驱除。如果土壤处于临界含湿量时,由于水的减少使土壤的传热系数下降,恶性循环,又使土壤的水分

更多地被驱除。土壤含水率的下降,土壤吸热能力衰减的幅度比土壤放热能力衰减的幅度相对较大。所以在干燥高温地区采用地耦管要考虑到土壤的热不稳定性。在实际运行中,可以通过人工加水的办法来改善土壤的含水率。

在我国北方地下水位较高和冷负荷较小的地区,土壤的含湿量将保持在临界点以上,可以认为大部分地区全年都是潮湿土壤。有关资料记载,大地下各种固体介质的热工参数如表2所示,可作为不同土层结构导热系数大小比较的参考。

四地热热泵供热空调的能量消耗分析

1 地热热泵合理地使用了高位能

地热热泵将低温热源的热量品位提高，需要消耗一定的高品位能量。地热热泵供热系统用高位能 w 推动一台动力机，然后再由动力机来驱动工作机(如制冷压缩机) 运转，工作机像泵的作用一样从低温热源(如水) 摄取热量 qe ，并把 qe 的温度提高，向暖通空调系统供出热量qh = qe + w ，用地热热泵的制热性能系数β来衡量热泵的能量效率。β= qh/ w = ( qe + w) / w = qe/ w + 1 (1)式(1) 说明了地热热泵的制热性能系数β永远大于 1 。因此，用