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上海别墅地源热泵系统的节能设计分析

时间:2019-06-02

城市化进程加快,人民生活水平提高,能源需求不断上升。地源热泵作为一种高效、节能、环保的替代能源技术,在国内应用于建筑项目已有很多年。随着人们节能环保意识的提高,以及地源热泵技术的进步,在别墅领域,地源热泵更是得到日益广泛的应用,市场快速增长。根据《2010中国中央空调市场报告》中的数据显示,2010年度全国水地源热泵市场的整体容量达到22亿元,相比2009年度增长达22.2%。根据《2013中国中央空调市场报告》中的数据显示,2013年度全国水地源热泵市场的整体容量约为35亿元,同比增长2.9%。


别墅作为单体建筑,其建筑面积相对较小。在别墅建筑中运用垂直埋管的地源热泵系统时,所需钻井数量少(按80m计算,所需数量一般为9-16口)。同时,在地源热泵的运行过程中,系统的运行方式、控制策略以及末端节能设计等问题,都会影响系统的整体效率。但是,目前关于适合别墅地源热泵系统的节能讨论相对较少。本文从缓冲水箱、联动控制、二次循环、末端设计和气候补偿等方面,分别展开讨论其对别墅地源热泵系统节能效果的影响,以便于寻找最优的设计方案,相关结论可为别墅地源热泵系统提供设计参考。


1、缓冲水箱与节能分析


缓冲水箱的节能效果主要体现在以下几个方面:


1.1利用水的比热容较大的特点,增大小型系统的水容量,储存冷量或热量。能有效的解决系统过小所带来的负荷波动和主机频繁启动的问题,从而达到延长主机的启动时间,减少主机频繁启停次数,延长设备寿命和节能省电的目的。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

1.2缓冲水箱的流经水流流速低,不仅能连续有效的自动排除系统内存在的气体,且水中的杂质也会积存在水箱底部,在系统运行状态下可以开启排污,使系统的循环更加流畅和稳定。理论上,缓冲水箱容积越大越有利于系统的稳定运行,但由于空间和成本的限制,也不可能设置过大。我们对水系统缓冲水箱容积计算及设计分析,别墅地源热泵系统,缓冲水箱的作用主要是保证主机压缩机最小运行时间T1(如下图所示),一般按5分钟的压缩机启停间隔确定缓冲水箱的大小。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

例如:上海金爵XX号别墅,地源热泵主机选用制冷量62KW,压缩机启停5分钟间隔,水从常温20℃降低到7℃,通过计算,主机每小时能制冷340升的水,当没有冷负荷或仅少量冷负荷时,水回路的容积为实际存在的最小容积,一般至少有160升,缓冲水箱是用来补充所需要的和实际存在的水回路容积差,为180升。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

通常选用200升的缓冲水箱,保证了主机压缩机最小运行时间,解决了系统过小所带来的负荷波动和主机频繁启动的问题。


别墅地源热泵系统中安装缓冲水箱,虽然初期投入上会增加安装成本,但安装缓冲水箱之后,系统的使用寿命提高,维护周期延长,维护成本降低,系统终端用电能耗降低。针对几个实际工程使用对比,别墅地源热泵系统中安装缓冲水箱,用户的用电成本会比不安装缓冲水箱降低10-20%以上,更能体现安装缓冲水箱的节能效果和经济性。


2、二次循环+变频泵与节能分析


别墅地源热泵系统加缓冲水箱的设置通常分为一次循环和一二分级二次循环,如上图所示。


2.1在地源热泵机组常用标准制冷工况下,一级循环中当主机感应到缓冲水箱水温低于7℃时,主机停止工作,地源侧水泵跟着停止工作;而缓冲水箱与室内末端的二级循环系统一直正常工作运行。当二级循环运行到缓冲水箱水温高于12℃时,主机启动工作,地源侧水泵开始工作。二次循环系统实际整个运行过程相较于一次循环系统,主机和地源侧水泵工作时间减少,用电能耗降低,节能效果显著。


2.2一级循环中主机专门针对缓冲水箱,扬程不用照顾整个系统而只负责一级循环系统,故仅需采用定流量低扬程水泵,二级循环因系统负载需求量的变化,选用变频水泵,根据室内负荷变化,通过改变水泵转速使扬程和流量变化,比较采用定流量水泵,用电能耗降低,节能效果显著。


以上海御翠园XX号别墅为例,地源热泵主机制冷量62KW,制冷功率12KW,地源侧水泵功率1.2KW,做一次循环,室内侧水泵功率1.2KW;做二次循环,室内侧一次泵0.65KW,室内侧二次变频泵0.65KW。若开启3台室内空调1天,一次循环,主机和地源侧水泵同时运行1.2小时,室内侧水泵运行3小时;二次循环,主机和地源侧水泵同时运行1小时,室内侧一次泵运行1小时,室内二次变频泵运行3小时,实际功率0.33KW。通过计算得出,二次循环比一次循环系统节能24%。


经过多年的使用证明,别墅地源热泵二次循环+变频泵系统的设计与一次循环系统相比,节能效果显著。


3、联动控制与节能分析


3.1现有的别墅地源热泵系统中,由于热泵主机与室内空调内机由各自独立的开关控制,相互间无联动控制,容易造成如下弊端:


3.1.1有时忘记开启地源热泵主机,只开空调内机,需要开好老半天室内温度没有下降时才发现主机未开;


3.1.2当屋主出门多天,常会关了空调内机而忘记关闭地源热泵主机,造成能源的浪费;


3.1.3当屋主回家开空调,需要先开启地源热泵主机,再开空调内机,操作繁琐。


3.2采用多个联动控制继电器,将各空调内机的温控开关与热泵主机联动控制,从而具有的效果有:


只要开启任何一台空调内机,热泵主机就会自动启动;当屋主出门时,只要关闭所有空调内机,热泵主机就会自动停止运行,更节能;当所有室内空调的温控器面板温度到达时,即温控开关断开时,热泵主机就会自动停止运行,更节能。


4、末端设计与节能分析


目前地源热泵系统常用的末端方式有风机盘管系统和辐射冷暖系统。风机盘管系统可以选择略大于需求的型号,主机正常选择,可以有效减轻主机的启动次数,起到一定的节能效果。


地板采暖系统采用地源热泵供水,供水最大出水温度一般为45℃。采取增大管径(φ20),加大铺设密度(间距150mm),降低主机出水温度(平均水温5℃),提高主机能效比。


例如,上海及长三角地热负荷一般为56W/㎡。


《辐射供冷供暖技术规程》中查找发现,木地板地面,室内温度18℃,在平均水温40℃时,加热管间距150mm,加热管管径为φ20,向上供热量为77.9W/㎡,而相同情况在平均水温35℃时,向上供热量为59.6W/㎡(>56W/㎡)。综上所述,只要地源热泵出水温度设置成37.5℃(平均水温35℃)即可满足地板采暖需求。在出水温度45℃时,主机能效比约为4.02,37.5℃时,能效比上升到4.45,节能10.7%。


5、气候补偿与节能分析


在采用定频水泵的地源热泵系统中,若未考虑气候补偿的问题,则无法根据室外气温的变化调节水流量,导致冷热源的输出大于用户末端的需要,造成能源浪费。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

气候补偿器可根据室外气温的变化适时调节循环水温度,以保证在满足用户侧冷(热)量需求的条件下节约能源。如下图所示。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

传统空调控制上下有3℃温差,而带气候补偿器的控制,室温一直很稳定。室温每升高1℃,能耗提高15%-20%。恒温的才是节能的。其工作原理如下图所示。

别墅地源热泵系统的节能设计分析

冬季,室外温度升高,混水阀开启度加大,循环出水温度降低,满足系统当前的热负荷;反之如果室外温度降低,混水阀开启度减小,用户侧回水进入机组的水流量减小,从而使供水温度升高,维持室内温度。例如,当室外温度为10℃时,地源热泵主机出水温度为45℃,调节混水阀开启度,加大回水量,出水温度降到35℃,节能性提高。


能够根据户外温度,实时通过混水阀调节采暖的出水温度,满足系统当前的热负荷,并直接控制热源启停,可节能30%以上。


以济南某一建筑为例,进行气候补偿器的节能量的模拟计算。传统供热的室内计算温度22℃、室外计算温度为-7.7℃,传热系数取0.81,则整个采暖季节安装气候补偿器之前的单位面积热负荷为65.16kW,安装之后为43.51kW,使用气候补偿器之后,系统节能33%,节能效果显著,有利于地源热泵系统的长期运行。


6、结论


本文从缓冲水箱、二次循环、联动控制、末端设计和气候补偿等方面,分析了其对别墅地源热泵系统节能效果的影响,并以具体项目分析了各自的节能潜力,经分析讨论发现,别墅地源热泵系统在设计时,增加缓冲水箱可提高系统的稳定性,同时采用二次循环+变频泵、联动控制和增加气候补偿器等能减少系统能耗和降低运行费用,提升节能效果。末端方面,地面辐射采暖采用降低出水温度,加大管径,增加铺设密度,能减少系统能耗,提升节能效果。以上相关结论可以为别墅地源热泵系统的节能方案设计提供参考。