PDF《水环热泵辅助热源性能研究》

水环热泵辅助热源性能研究 吴薇(南京师范大学 动力工程学院, 江苏 南京 210042) [摘要 ] 介绍了水环热泵空调系统各种辅助热源的形式, 针对传统水环热 泵空调系统采 用高位能 (电、 燃气、 油、 煤等)通 过锅炉 (或换热装置 )转变为循环水的低位能, 再由室内水 /空气热泵提升后向室内供热的不合理的用能方式, 提出了由空气 源热泵代替锅炉的空气源 水环复合热泵空调系统, 对其冬季 建筑物内 外分区不 同的冷热 负荷比下 运行的性 能进行了 研究, 并和使用锅炉的传统水环热泵空调系统的能耗进行了比较, 体现出空气源 水环复合热泵空调系统具有较高的能效比.

[关键词 ] 水环热泵, 辅助热源, 能耗 [中图分类号 ] TB657. 2, [文献标识码 ] B, [文章编号 ] 1672-1292( 2005)

04 -0087-04 The Performance Studies on AuxiliaryH eat Source of theW ater Loop H eat Pump WU W ei ( School of Pow er Engineering, Nanjing Nor ma lU niversity, Jiangsu Nanjing

210042 , China) Abstract : The for m s of d ifferen t auxiliary heat sources in the air condition ing syste m of water loop heat pump are in - troduced. A i m ing at the irrational trad itional way of supp lying heat , in wh ich the h igh potential energy source ( elec - tricity , gas , oi,l coa, l etc) is changed into the lo w potential energy of loop ing w ater by boiler ( or heat transfer in - stall ment ) and the looping w ater is heated by the indoorw ater/ air source heat pum p and then supplies energy to in - door units, the paper proposes the air source -water source hybrid heat pump syste m in w hich the boiler is rep laced by air source heat pump, carries ou t the perfor mance operated in the condition of d ifferen t cold -and-hot load ratio of in - side and outside bu ild ing d istrict in w inter , and co m pares it w ith the energy consum ption of trad itionalw ater loop heat pump in wh ich the boiler was used. The results show that the energy efficiency ratio of the air cond itioning system of air source -w ater source hybrid heat pum p is h igher . K ey words : w ater loop heat pump, auxiliary heat source , energy consum ption 收稿日期:

2005 -09-07 . 作者简介: 吴薇(1974-), 女, 讲师, 主要从事环境保护与能源利用的教学与研究. E-m ai: l w uw e@ i njnu . edu . cn

0 引言 随我国近年来国民经济的快速发展和人民生 活水平的不断提高, 制冷空调设备广泛应用, 在工 业能耗中已占据了相当大的比例, 引起了能源紧张 和电网昼夜负荷差加大. 水环热泵技术可回收建筑 物内部余热, 节约电能消耗, 具有较高的能效比, 便 于分户计量和计费, 安装、 管理方便, 污染较小, 在 提倡节约型社会的今天有着广阔的应用前景. 所谓水环热泵空调系统是指小型水 /空气热泵 机组的一种应用方式, 即用水环路将小型水 /空气 热泵机组 (水环热泵机组 )并联在一起, 构成以回 收建筑物内部余热为主要特征的热泵供暖、 供冷的 空调系统, 不但可以用于多层公寓住宅, 还可以用 于大型高层商业建筑. 水环热泵系统开创于 20世纪60年代初, 由美国加州格费斯 萨特勒公司与加 州热泵公司所发明, 首先在美国加州得到了应用, 故在美国称为 加利福尼亚热泵系统 , 很快传遍 美国实现商业化. 如美国空气过滤器公司生产的恩 纳康 ( Enercon)系统, 美意、 特灵公司生产的水源热 泵机组等. 到了 20世纪

70 年代, 英国最主要的制 造商 维塞坦普 也批量生产水源热泵并设计了这 种系统, 广泛应用于

5 000~

20 000 m

2 的商业建筑 中, 所以在西欧把这种水环热泵系统又称为 维塞 坦普 系统, 由于该系统具有较高的能效比, 在国 外诞生以来受到了普遍重视.

20 世纪 80年代初,

87 第 5卷第 4期2005年12月 南京师范大学学报 (工程技术版 ) JOURNAL OF NAN JI NG NORMAL UN I VERSI TY( ENGI NEERING AND TECHNOLOGY) Vo.l

5 N o .

4 Dec ,

2005 我国在一些外商投资的建筑中开始采用该空调系 统, 20世纪 90年代该空调系统在我国得到广泛应 用. 目前在北京、 上海、 深圳等地已有很多工程采用 了水环热泵系统, 如北京天安大厦、 青岛华侨饭店、 深圳光通大厦、 上海锦江第 4号楼、 惠州大酒店、 泉 州大酒店和南京和园饭店等. 根据用冷场所的需要, 水环热泵可按供热工况 运行, 也可按制冷工况运行. 夏季, 各水环热泵机组 全部按制冷工况运行, 向水环路释放热量, 这时冷 却塔投入运行, 将冷凝热释放到大气中;

冬季, 所有 水环热泵机组全部或大部分按供热工况运行, 从水 环路中吸取热量, 这时辅助加热器投入运行, 使水 环路水温上升;

过渡季节, 有的水环热泵机组按制 冷工况运行, 有的水环热泵机组按供热工况运行, 这时根据水环路水温来判断是运行冷却塔或辅助 加热器. 由此可见, 大型建筑物有内外分区, 内区有 全年性冷负荷时, 选用水环热泵系统是最节能的.

1 水环热泵空调系统辅助热源的形 式 为了使水环热泵空调系统能正常运行, 在水系 统中需设置辅助加热设备, 当水环路中水温低时, 辅助加热设备投入运行. 目前国内外水环热泵辅助 热源形式主要有燃煤锅炉、 电热锅炉、 燃油 (气)炉、 太阳能、 水 (地表水、 井水、 河水、 海水等 )能、 土 壤能、 空气等. 燃煤锅炉是常规空调的常用热源形式, 但其热 效率低且易造成环境污染, 逐渐被电锅炉和燃油锅 炉取代. 电锅炉根据电加热原理和电加热元件的不 同种类很多, 其中电热管电加热锅炉具有使用安 全、 调节简便等优点, 是水环热泵空调系统中应用 最广泛的一种. 燃油 (气 )热水锅炉也是水环热泵 空调系统常选用的加热设备, 具有热效率高、 环保 效益好、 对水质要求低、 运行操作方便、 安全可靠等 优点. 但是, 这些采用高位能 (电、 燃气、 油、 煤等 ) 通过锅炉 (或换热装置 )转变为循环水的低位能, 再由室内水 /空气热泵提升后向室内供热的用能方 式十分不合理, 不符合按质用能的原则. 解决这一 问题的途径就是由建筑物外部引进可再生能源作 为水环热泵空调系统的辅助热源. 水环热泵空调系统可利用的外部能源有太阳 能、 水 (地表水、 井水、 河水、 海水等 )能、 土壤能、 空 气等. 众所周知太阳能是 21世纪人类可期待的能 源. 我国太阳能资源非常丰富, 居世界第二位. 用太 阳能加热低温热水的太阳能热水系统是当前太阳 能利用技术中应用广泛、 发展迅速的一个领域. 但 是由于季节和气候的影响, 太阳能具有间歇性和不 稳定性, 如密度很低时要收集足够量的太阳能需要 很大面积的高效集热器. 深井水的水温常年保持不 变, 冬季用深井水作为外部热源、 夏季用深井水作 为冷却介质的井水源水环热泵空调系统, 可以通过 调节井水流量来调节环路中的水温, 十分方便, 引 入地下水作低位热源, 节约能源, 无任何污染, 保护 环境. 但是井水源水环热泵空调系统会出现水井老 化, 回灌技术要求高, 回灌易堵塞, 回灌投资和运行 费用较高, 机组性能受地下水文地质条件的变化影 响较大, 寒冷地区井水水温低, 地热水会对管路和 设备造成腐蚀生锈, 井水泵功耗过高, 控制水源水 质的管理工作麻烦等问题, 使地下水源热泵系统无 法大规模推广. 地下埋管换热器利用的是地表浅层 低温地热能源, 亦称地温能、 大地能. 地下埋管换热 器的设计难度很大, 在设计时必须对建筑物的冷热 负荷、 钻孔空间........