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文獻翻譯
題 目采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計
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地源熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)
地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)應用分析
Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. Rosen
Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4
摘要 對于一個學校的循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)，我們對它使用了四種不同的熱泵和換熱管系統(tǒng)，得到了一份詳細的能源消耗分析。對于每一個區(qū)域，我們采用一個單獨的循環(huán)系統(tǒng)，包含單獨的循環(huán)回路熱泵，以及三種重要系統(tǒng)（流速不斷變化的熱泵，流速恒定的熱泵和二級熱泵回路）都考慮在內(nèi)。單獨的循環(huán)系統(tǒng)能耗是13100kwh每年，變流速循環(huán)熱泵每年消耗18800kwh，恒定流速熱泵系統(tǒng)每年消耗108600kwh，兩級熱泵每年消耗65500kwh。設計數(shù)據(jù)，建立回路，控制熱泵，分析數(shù)據(jù)，繪制表格。
關(guān)鍵詞 熱力 地熱能 熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟
引言
地源熱泵系統(tǒng)包含四種不同子系統(tǒng)：（1）地源熱交換系統(tǒng)（2）地面的熱泵系統(tǒng)和房間內(nèi)的循環(huán)管路用來連接熱交換器和熱泵系統(tǒng)（3）水循環(huán)熱泵系統(tǒng)（4）空氣處理系統(tǒng)。設計者往往花費大量的能源和資源給地源熱交換系統(tǒng)，因為地源熱交換系統(tǒng)是一個新穎的熱交換組合對于大多數(shù)的暖通設計工程師。不幸的是，從而忽略了對其他三個組成部分的關(guān)注。很多傳統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)其實可以全面地代替這種高效的冷熱交換。當土壤中回路被準確地設計和安裝，高效的水源熱泵按指定的條件，地源熱泵系統(tǒng)確實是高效的。然而這種高要求和熱泵的能源使用可以導致設備體積過大，對管材的要求高，特別是系統(tǒng)設備的準確控制都要引起我們的關(guān)注。
對于商業(yè)建筑和公共建筑地源熱泵管道回路的設計程序主要取決于建筑訂約人通過術(shù)要求和暖通技術(shù)工程師。在二十世紀七十年代，地源熱泵系統(tǒng)在居民住宅的空氣調(diào)節(jié)中有了很大的發(fā)展。在一些地區(qū)，這種發(fā)展慢慢進入一些商業(yè)建筑，這些系統(tǒng)的設計往往都是沒有專業(yè)的設計師，管道網(wǎng)絡的設計趨向于復雜的有分功率和濕轉(zhuǎn)子泵的單獨回路，僅僅通過壓縮機的傳遞來關(guān)閉水泵系統(tǒng)。在一些情況下，幾個熱泵裝置通過一個簡單的泵或者復雜的循環(huán)器連接在簡單回路。如果一個單獨的水泵在工作，它會被要求頻繁地持續(xù)運轉(zhuǎn)；如果一個循環(huán)器在工作，一般它會隨著壓縮機一起工作。然而，安裝一個檢查閥門在每個裝置的出口是非常重要的，用來防止其他裝置的回流當機組停止工作時。
第二個地源熱泵設計技術(shù)的關(guān)鍵來自于暖通設計師協(xié)會，建立了良好的冷卻水系統(tǒng)和水循環(huán)熱泵空調(diào)機組。關(guān)鍵的空調(diào)機組通常安裝在一個特定的人工機房，建筑內(nèi)部的管道回路（通常用碳鋼材料的管道）連接著地面管道回路集管。兩級熱泵機組的設計非常普遍，建筑內(nèi)循環(huán)泵持續(xù)運轉(zhuǎn)，地面循環(huán)泵只有在管道回路中的溫度低于或者超過設定的溫度才會工作。在一些情況下，一個循環(huán)泵同時控制著房間內(nèi)和地面的循環(huán)回路，它不停地運轉(zhuǎn)或者就周期性運轉(zhuǎn)在機組停止工作時。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，變流量中央空調(diào)機組正在應用于地源熱泵中央空調(diào)管道網(wǎng)絡中，這種新的應用要求在每個裝置安裝一個雙向閥來獲得節(jié)能效益。
熱泵系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)以電為動力驅(qū)動壓縮機，來保持工質(zhì)必要的濃度同時傳遞熱能?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內(nèi)的工質(zhì)通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質(zhì)的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度，從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞。熱泵主要包括五個組件(圖1) ：壓縮機、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當然還有很多小型的組件和配件，例如：風機、管道和輔助控制系統(tǒng)。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局
地源熱泵的加熱流程如下：
l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。
l 熱泵機組內(nèi)制冷劑占主導地位的工質(zhì)進入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。
l 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽進入電動壓縮機，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。
l 高溫蒸汽進入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結(jié)，成為高溫高壓液體。
l 熱液體通過膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)
包括制冷系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉(zhuǎn)移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質(zhì)在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉(zhuǎn)，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器[8,12]。
有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機出口處，將壓縮氣體所產(chǎn)生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。
能源利用效率優(yōu)劣的評價，一般是用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產(chǎn)出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP)，以此評價熱泵性能。
熱量輸送系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水--空氣傳熱與水—液體傳熱。水—空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉(zhuǎn)移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質(zhì)，水—液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質(zhì)的液體進行換熱。
在北美，最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水—空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調(diào)管道和通風口進入建筑。
水—液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質(zhì)傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅(qū)動環(huán)繞建筑轉(zhuǎn)動，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內(nèi)溫度最高的空氣在加熱爐中被強迫向天花板上升，形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低。
也有混合的動力系統(tǒng)，它結(jié)合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。
影響地埋管的關(guān)鍵因素
地面循環(huán)回路以及和它相關(guān)的組件和其他典型的暖通熱交換器都有著明顯不同的特點，而這些特點決定了管道內(nèi)流速的選擇，允許的水頭損失和管道的材料，這些特點包括如下：
地面本身可以最大防止熱量的流動；因此，高性能的熱傳導管道材料，管道接觸面的增大，管內(nèi)流體的高速流動對于熱傳導意義不大。
因為管內(nèi)流體的流動一定會經(jīng)過建筑內(nèi)和地面的循環(huán)管道，因此地面管道要有非常有效的防銹解決方案，而且這種管道材料不需要用有毒抑制劑。
按照設計準則，流體的高速流動對于好的地面循環(huán)換熱回路是沒有必要的，流速的降低也可以顯著減小流體流經(jīng)地面管道的水頭損失。
因為管道內(nèi)流體的高速流動對于換熱性好的地面管道回路沒有必要，因此適度的流量失衡對于整個熱交換的作用也就比較小。
高效的以及換熱面積大的水-空氣熱泵機組不需要精確的流速控制去追求最大的效率，33%的流速變化也只會讓管道的換熱能力減小2%左右。
因為高效的以及高流程的熱泵機組的流體管道體積要比一般的熱泵機組流體管道大，水頭損失相比較而言也就小。
考慮到水頭損失在地面管道和熱泵機組中比較小，因此集管的長度，控制閥門損失，以及擬合的限制對于水頭的損失都有重要的影響。
推薦材料的花費相比較勞動的代價要小，因此減小摩擦損失對于減小水泵揚程是一個非常經(jīng)濟合理的辦法。
抗腐蝕以及管道網(wǎng)絡的最小化對于系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和正常性具有關(guān)鍵的作用。
案例—學校的熱泵機組和管道系統(tǒng)選擇
對于地源熱泵系統(tǒng)，在美國商業(yè)或者公共建筑應用最普遍的就是學校，有這樣的案例：對于一個6700㎡的學校，四種不同的管道和熱泵機組在這里進行實驗。要考慮的是每個分散的熱泵機組系統(tǒng)都有單獨的回路和循環(huán)泵，一個中央循環(huán)熱泵機組用變流量系循環(huán)統(tǒng)，一個用恒定流量循環(huán)系統(tǒng)，一個用兩級循環(huán)系統(tǒng)。表格數(shù)據(jù)顯示建筑的內(nèi)部情況，熱泵機組的位置，以及200個分散回路的垂直管孔的位置，每個垂直管孔都是六十米深。圖表2是一個教室空調(diào)系統(tǒng)的垂直分布圖，這是一個功率是10.5kw擁有三個并排的熱交換管路。
四個系統(tǒng)都在相同的位置安置熱泵機組，但是地埋管道都是放置在離建筑物一定距離的矩形區(qū)域內(nèi)。地埋管孔的數(shù)量隨著建筑物的冷熱負荷的變化而變，因為地埋管換熱器的規(guī)格由建筑物的冷熱符合決定。比如，這個學校的冷熱負荷的調(diào)整系數(shù)在85%，在復雜的地埋管系統(tǒng)中孔的數(shù)量應該是170個要比200個合適。
使用變流量的中央空調(diào)系統(tǒng)可以把所要求的流量傳遞到整個建筑和地面的循環(huán)管道回路中。因為流體的流動取決于進出口的壓力差，壓力泵的轉(zhuǎn)速不斷地調(diào)整來維持一個持續(xù)的不同壓力進而改變流量滿足建筑的冷熱需求再回到循環(huán)集管，這樣可以確保持續(xù)流體通過熱泵機組。當一個機組周期性的關(guān)閉，雙向閥門也就關(guān)閉。隨著關(guān)閉的閥門的數(shù)量不斷增加，集管的壓力差不斷變化，由于流量減小，壓力損失也隨之不斷減小。當壓力損失一發(fā)生變化，就會產(chǎn)生一個信號到達驅(qū)動控制系統(tǒng)進而降低壓力泵的轉(zhuǎn)速。這樣的好處就是可以減小對于電能的需求，從而達到節(jié)能的效果。
第三種系統(tǒng)就是持續(xù)運轉(zhuǎn)的恒流量中央空調(diào)熱泵系統(tǒng)，第四種系統(tǒng)就是兩級熱泵控制系統(tǒng)，一級熱泵持續(xù)運轉(zhuǎn)滿足建筑內(nèi)管道流體的循環(huán)流動，而只有當回路中流體溫度高于設置的最高溫度或者低于設置的最低溫度時，二級熱泵才開始工作。
變流量系統(tǒng)
相比較其他系統(tǒng)，對變流量中央空調(diào)熱泵系統(tǒng)的分析就更加復雜。然而，建筑很大一部分時間都處于低負荷運轉(zhuǎn)中，冷熱負荷比較小，一個星期大概有50 個小時左右系統(tǒng)處于低負荷運轉(zhuǎn)，此時對于機組設備的性能特點的分析就非常重要。圖表3是中央循環(huán)管道的系統(tǒng)布局，變流量系統(tǒng)管道設計，恒流量系統(tǒng)管道設計，兩級熱泵系統(tǒng)管道設計都在圖中有詳細的展示。在這幾個系統(tǒng)中，建筑內(nèi)和地面管道循環(huán)系統(tǒng)所用的管道都是一樣的。圖表5是變流量系統(tǒng)中最長管的揚程損失，想比較其他系統(tǒng)它的損失是最大的，因為必須克服集水管到建筑物和地面換熱區(qū)域管道的摩擦。
圖表4標明了中央管道系統(tǒng)中系統(tǒng)和水泵的關(guān)系曲線。圖表上繪制了理論系統(tǒng)性能曲線，這個曲線假設沒有閥門關(guān)閉，也沒有最小壓差要求。但是實際上，變流量系統(tǒng)運行的原理是：流體流量不斷地改變通過關(guān)閉沒有運轉(zhuǎn)工作的熱泵機組的雙向閥門。另外，最小壓差可確保流體通過建筑物滿足冷熱需求在回到集水管，進而確保每個機組裝置都有充足的流量。但是假設理論系統(tǒng)壓泵可以提供的水頭壓力是流體通過建筑物回到集水管，理論性能曲線和實際性能曲線就非常相似。
在圖表4中，水泵的生產(chǎn)商提供了水泵轉(zhuǎn)速在1150rpm和750rpm時的性能曲線，效率相同的點（50%，60%，70%，80%,83%)連接成線且在這兩條性能曲線之間，這樣就可以方便地計算出在這兩條性能曲線之間任意工作效率點所需要的輸入的能量。比如，當流體流量在32L/S時，查表可以知道它所需要的水頭高度是18米，在這個點水泵的效率是82%。水泵所需要的輸入的能量可以從何下面的算式中計算出來：
為了確定系統(tǒng)的電能消耗以及水速和水泵電能需求的關(guān)系，我們要用到天氣數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)。對于變流量系統(tǒng)水泵，傳動效率和電機效率影響著電能的需求。
然而，結(jié)合著水泵的傳動效率和電機效率對于計算小流量的能耗并不是非常有效的。圖表4中陰影區(qū)域是水泵的低效率區(qū)域，這一不確定的區(qū)域就是水泵在建筑內(nèi)換熱設備沒有使用時運轉(zhuǎn)的效率區(qū)域。而且當電機的扭矩低于滿負荷時扭矩的25%時，電機和系統(tǒng)的效率將明顯降低。例如，當一個875轉(zhuǎn)的水泵性能曲線和實際性能曲線相交時，我們就可以發(fā)現(xiàn)變流量系統(tǒng)水泵的運轉(zhuǎn)點。當水頭高度是7.5米，水流量是8lps時，水泵的效率大約是50%，則壓泵所需的能耗是1.17kw。在這樣的負荷運轉(zhuǎn)下，電機的驅(qū)動效率就接近57%。當流速是滿負荷運轉(zhuǎn)時流速的21%，工作時負荷是滿負荷的16%時，能耗是2.05kw。不斷地重復這個過程，分別算出流速是系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)流速的50%，75%，100%時，所需要的能耗。用這些數(shù)據(jù)點，此系統(tǒng)的相關(guān)性如下：
因為建筑物的冷熱負荷和所需要水流的流速之間的存在直接關(guān)系，且這種關(guān)系是直接利用的，因此，等式3的關(guān)系式就允許水泵所需的能耗來估計建筑內(nèi)的冷熱負荷。
輔助冷卻組件
由于壓縮機和泵都不是100%的效率，它們運行過程中產(chǎn)生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機和泵產(chǎn)生的廢熱可用于預熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機外面，由它們的電動機驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)將熱量傳遞出去。預熱能夠提高組件性能，提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負荷。
地面霜凍循環(huán)
在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結(jié)構(gòu)的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會大幅度影響當?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的20—50%。該系統(tǒng)不應當使地面凍結(jié)的時間超過自然周期內(nèi)凍結(jié)的時間，不應當擾亂當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應當時安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性。
分析
1.關(guān)于變流量系統(tǒng)是能耗最低的系統(tǒng)的假設并不是都成立的。
2.對于一個一周要工作40個小時的居住條件，由于系統(tǒng)的效率，很大一部分能量消耗在變流量系統(tǒng)流速的改變且系統(tǒng)機組無負荷運轉(zhuǎn)的情況下。
3.對于地源熱泵的幾種不同系統(tǒng)，系統(tǒng)能耗的降低取決于水流揚程的降低，因為當無冷熱負荷時，水泵很大一部分時間都是停止工作的。
4.盡管小循環(huán)熱泵的電機效率要比大型的中央空調(diào)熱泵效率低，但是對于地源熱泵的各種分散系統(tǒng)而言低能耗依然有可能實現(xiàn)。
5.恒速水泵在不斷地工作運轉(zhuǎn)，消耗大量的電能。
6.大型水泵能耗的變化很大程度上就是我們通常可以使用的能耗范圍。
建議
1.在低負荷運轉(zhuǎn)的情況下，我們要考慮能耗的最小化，因此在設計時我們要考慮讓變流量系統(tǒng)的水泵停止工作當機組在低負荷運轉(zhuǎn)時。
2.為了滿足變流量系統(tǒng)水泵在低負荷運轉(zhuǎn)的工作要求，大量設計工作需要去做。
3.我們應當不斷地去追求循環(huán)水泵和電機的效率。
4.對于一個每周要工作5天，每天要工作8-10小時的空調(diào)系統(tǒng)，如果我采用恒流量中央空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)會非常的不合理和高能耗。
5.我們也要考慮水泵的揚程以及地面的循環(huán)管道損失。
6.我們也要考慮水泵尺寸過大的影響。
7.如果實驗數(shù)據(jù)相似，我們就要考慮在其他的建筑形式以及不同環(huán)境條件下進行實驗。進而得到所需數(shù)據(jù)分析。
結(jié)論
地源熱泵是一種高效的供熱技術(shù)，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間，相對于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經(jīng)濟性等方面。
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