PDF《地源热泵名义工况探讨》

第35 卷第3期2003 年9月西安建筑科技大学学报(自然科学版) J1X i'

an U niv.

of A rch. &

Tech. (N atural Science Edition) Vo l .

35 No.

3 Sep.

2003 地源热泵名义工况探讨 曲云霞1 , 张林华1 , 方肇洪1 , 李安桂2 (1. 山东建筑工程学院空调与制冷工程系, 山东 济南 250014;

2. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055) 摘要: 美国空调制冷学会对地源热泵机组规定了三个不同的名义工况, 分别适用于水源热泵、 地下水源热泵 和土壤源热泵. 我国目前还没有适用于地源热泵机组的标准. 文章中根据不同的地下水温度和土壤温度对我 国的地下水源热泵和土壤源热泵的运行工况进行了分析, 并建议对不同类型的地源热泵应采用不同的名义 工况, 并且给出了具体的参考数值. 关键词: 地源热泵;

名义工况;

运行工况 中图分类号: TU

83 文献标识码: A 文章编号: 100627930(2003)

0320221205 Ξ The discussion on standard rating conditions for ground source heat pumps QU Y un2x ia

1 , ZH A N G L in2hua

2 , FA N G Z hao2hong

2 , L I A n2gu i

1 (11Dep t. of A ir Conditioning Enginerring, Shandong U niv. of A rch. &

Eng. , J inan 250014, China;

2. Schoo l of Envir. &

M unici . Eng. , X i'

an U niv. of A rch. &

Tech. , X i'

an 710055, China) Abstract: A ir conditioning and Refrigeration Institute (AR I) U. S. A. certified and published three different standards fo r w ater2source heat pump s, ground2 w ater heat pump s and ground2coup led heat pump s . In China, there is no standard fo r ground source heat pump s . This paper analyzes the operating condition fo r ground2 w ater heat pump s and ground2 coup led heat pump s and suggests the rating condition fo r ground2 w ater heat pump s and ground2coup led heat pump s . Key words: g round source heat p ump;

standard rating cond ition;

op erating cond ition

1 前言目前, 国内对地源热泵系统的研究多集中在土壤的传热、 传质方面, 即地热换热器的模型、 设计计算 等, 而且大多数是沿用国外的模型, 对地源热泵机组的研究则很少. 在已经应用的地源热泵系统中, 多数 采用普通的水水热泵机组来代替地源热泵机组. 由于机组的性能直接影响到整个系统的出力是否能够 满足用户要求, 而机组的性能是通过名义工况的参数来反应的, 因此机组的名义工况应该与实际运行工 况比较接近, 这样才能正确反应机组的实际性能. 热泵机组性能与多种因素有关, 但主要是与热泵工作的高低温热源有关. 对土壤源热泵, 冷却水温 度不仅与当地土壤的温度和热物性有关, 而且与地热换热器的配置有关. 对地下水源热泵, 热泵机组的 性能主要与地下水的温度有关[1 ] . 由于地源热泵在我国的应用刚刚起步, 目前国家也没有统一的地源热 Ξ 收稿日期:

2002212228 基金项目: 山东省重大科技攻关项目(011150105) 作者简介: 曲云霞(19652) , 女, 山东荣成人, 副教授, 博士研究生, 主要从事暖通空调专业教学与科研工作. ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 泵制造标准, 因此产品规格型号, 性能参数各不相同, 难以评价. 本文的主要目的是探讨地源热泵的名义 工况与实际运行工况的性能比较, 并给出适用于地源热泵的名义工况.

2 地源热泵的分类 根据热泵的热源介质来分, 热泵可分为空气源热泵和水源热泵, 而水源热泵又分为水环热泵和地源 热泵. 水环热泵是充分利用室内余热的一种热泵, 冬季当室内余热不足时, 可利用锅炉进行加热;

夏季当 室内余热过多时, 可利用冷却塔进行排热. 地源热泵在国内的应用刚刚起步. 有关地源热泵的术语很多, 也很不规范, 为了避免混淆, 现统一采用 A SHRA E

1997 年规定的标准术语, 即地源热泵 (Ground2 Source H eat Pump, GSH P). 地源热泵是一个广义的术语, 它包括以地下水、 地表水和土壤作为热源和 热汇的热泵系统. 以土壤为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵 (Ground2 Coup led H eat Pump, GCH P );

以地下水为热源和热汇的热泵系统称之为地下水源热泵 (Ground2 W ater H eat Pump, GW H P );

以地表水为热源和热汇的热泵系统称之为地表水源热泵 (Surface W ater H eat Pump, SW H P). 本文讨论的地源热泵是指地下水源热泵(GW H P) 和土壤源热泵(GCH P).

3 热泵的名义工况

80 年代我国冷水机组发展十分迅速, 制冷压缩机主机除往复活塞式以外, 还有双螺杆式、 涡旋式、 单螺杆式等. 进入

90 年代以来, 风冷式冷水机组和热泵机组大量面市. 虽然制订了国标 JB4329-

86 《螺 杆式冷水机组技术条件》 和ZBJ73041-

89 《活塞式冷水机组技术条件》 及GB10870-

89 《容积式冷水机 组性能试验方法》 , 但缺少热泵机组和风冷式机组的内容. 因此我国在

97 年制订了国标 JB T 4329-

97 《容积式冷水(热泵) 机组》 . 目前我国的热泵机组大多是按照该标准执行的. 热泵机组的性能与其工作条件, 也即通常所说的 工况 有关. 工况分为名义工况和应用工况(或运 行工况). 名义工况系规定用来比较机组制冷或制热性能的工作条件, 应用工况指用机组实际运行要求 的参数表示的工作条件. 名义工况是根据气候条件和大多数使用条件规定的, 因此不同的国家可能有所 不同. 各国冷水机组的名义工况[2 ] 规定见表 1, 其中 J IS 为日本标准化协会, A R I 为美国空调与制冷学 会, JB 为我国机械工业部冷冻设备标准化技术委员会. 表1冷水机组各国名义工况 项目 使用侧 热源侧(或放热侧) 冷、 热水 冰冷 风冷式 进口温度 ℃ 出口温度 ℃ 进口温度 ℃ 出口温度 ℃ 干球温度 ℃ 湿球温度 ℃ J ISB86B 制冷

12 7

30 35

35 24 -

86 热泵制热

40 45

1515 7

7 6 AR I590- 制冷

1214 617

2914 -

35 -

92 热回收 -

617 2319 -

414 - JB T 制冷

12 7

32 37

35 24 7666-

95 热泵制热

40 45

12 7

7 6 JB4329-

86 制冷

12 7

32 37 制冷

12 7

30 35

35 24 JB4329-

97 热泵制热

40 45

1515 7

7 6 从表

1 可见, 国标 JB T 7666-

95 与国标 JB T 4329-

97 的名义工况的差别就在于冷却水温度的 变化, 即从 30- 35℃变为 32- 37℃ . 我国国标新标准 JB T 4329-

97 中的名义工况与日本国标相同, 与 美国比较接近, 这主要是为了与国际先进国家取得一致. 上述表格中规定的名义工况对所有的水源热泵机组均相同. 但由于 GW H P 和GCH P 的实际运行 工况大相径庭, 而且与名义工况相差较大, 因此如果单纯根据热泵名义工况的性能参数来选择设备, 在222西安建筑科技大学学报(自然科学版)第35 卷?1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 实际工程中往往达不到要求. 中国地理位置跨度较大, 各地地下水及深层土壤的温度也不同, 例如我国 的东北和西北地区, 地下水的温度一般小于 10℃, 而我国福建等地, 地下水的温度大概在 20℃左右. 因 此对于名义工况相同的热泵机组, 用于不同的地方, 机组的性能或许相差很大 . 因此, 目前国标规定的名 义工况并不能真正地反应热泵机组实际工况的性能参数. 美国空调制冷学会(A R I) 现在对水- 空气热泵有三个不同的标准工况, 即A R I-

320、 A R I-

325、 A R I- 330. 具体参数见表 2: 表2AR I 标准工况温度条件 AR I-

320 AR I-

325 AR I-

330 温度℃ 空气进口 水进口 空气进口 水进口 空气进口 水进口 制冷 干球

2617 2914 干球

2617 2111 (高) 干球

2617 25 温球

1914 湿球

1914 10 (低) 湿球

1914 制热 干球

2111 2111 干球

2111 2111 (高) 干球

2111 010 温球 1516m ax 湿球 1516m ax

10 (低) 湿球 1516m ax 其中A R I-

320 适用于水环热泵机组;

A R I-

325 适用于地下水源热泵 (GW H P) 机组;

A R I-

330 适用于土壤源热泵(GCH P) 机组

1 由此可见, 不同的热泵机组的名义工况相差较大. 对地下水源热泵机 组, 根据地下水温度 21℃和10℃分别给出了两个不同的工况. 作者认为我国应当制定统一的国家标准, 对不同形式的水源热泵应制定不同的名义工况, 这不仅使 热泵生产厂家有章可循, 而且也为广大的工程技术人员选择设备提供了方便.

4 地源热泵的运行工况 热泵的名义工况反映了热泵在标准工况下的性能, 但它的实际性能是由热泵的实际运行工况所决 定的. 地源热泵主要包括地下水源热泵(GW H P) 和土壤源热泵(GCH P) , 它们的运行工况与地下水和土 壤的温度有关 . 下面分析这两种地源热泵的运行工况 .

411 地下水源热泵的运行工况 地下水源热泵机组的运行工况与用户侧所要求的水温及地下水的温度有关. 为了比较方便, 以下假 定用户侧的水温均与国标名义工况的水温相同, 即夏季冷冻水的进出口温度为 12- 7℃, 冬季热水的进 出口温度为 40- 45℃ . 我国地理跨度较大, 因此在地表浅层处(在100 米以内) 各地地下水的温度也不 同, 从北到南, 我国地下水的温度从 10- 25℃不等. 由于地下水的温度在一年四季中比较恒定, 当地下 水流量一定时, GW H P 的性能受地下水温的影响较大. 下面就将地下水的温度分为 10℃和20℃两种情 况确定 GW H P 的运行工况及性能参数, 结果见表 3. 以下计算条件为活塞式压缩机, 理论排气量为 60m

3 h, 制冷剂为 R 22, 所有工况的吸气过热度均为 5℃, 制冷剂液体过冷度均为 3℃, 用户侧的水温均 与国标名义工况的水温相同. 表3地下水源热泵 GW HP 的运行工况及性能参数 夏季制冷工况 冬季制热工况 JB T 4329-

97 名义工况 地下水温度℃

10 20

10 20 夏季 冬季 地下水进出口温度℃

10 15

20 25

10 2

20 12

30 35

1515 7 蒸发温度℃

0 0 -

5 5

0 0 吸气温度℃

5 5

0 10

5 5 冷凝温度℃

25 35

50 50

40 50 液体温度℃

22 32

47 47

37 47 制冷量(或吸热量) kw

49 (120% )

43 (107% )

2717 4217

4012 3717 放热量(或制热量) kw

5417 5018

3712 (78% )

5314 (111% )

4818 48 电机输入功率 kw

819 12

1419 1618

1315 1612 性能系数

515 316

215 312

2197 2196 注: 括号内的数值为与名义工况的比值

3 2

2 第3期曲云霞等: 地源热泵名义工况探讨 ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 从表

3 可看出, 当地下水的温度较高时, 机组的运行工况与国标 JB T 4329-

97 规定的名义工况的 性能参数比较接近, 当地下水温较低时, 机组的运行工况与名义工况相差较大, 尤其是冬季制热工况. 为 了使机组的名义工况更能反应机组的实际性能, 在冬季制热工况时, 地下水源热泵机组可根据地下水温 度的高低确定不同的名义工况. 建议按照 10℃和20℃确定高低两个名义制热工况, 详见表 4. 表4地下水源热泵 项目 使用侧 热源侧(或放热侧) 冷、 热水 水冷式 进口温度 ℃ 出口温度 ℃ 进口温度 ℃ 出口温度 ℃ 制冷

12 7

30 35 热泵制热

40 45

20 (高)

10 (低)

10 (高)

2 (低)

412 土壤源热泵运行工况 对于土壤源热泵 GCH P, 热泵的运行工况不仅与土壤的热物性有关, 而且与地热换热器的布置形式 (水平埋管或竖直埋管)、 长度及运行时间有关, 也即与地热换热器循环介质的出口温度有关[3 ] . 本文研 究的对象均为垂直埋管的地热换热器. 地热换热器越长, 则热泵机组的性能系数就越高 . 但随着地热换 热器长度的增加, 热泵系统的投资增加. 因此这涉及到热泵系统最佳经济性的研究. 目前国内仍缺乏这 方面的研究, 也没有一个统一的计算方法. 根据文献[4 ] , 对竖直埋管地热换热器夏季的设计出口温度一 般为土壤温度加上 11- 14℃, 冬季的设计出口温度为土壤温度减去 8- 11℃ . 通过我们自己编制的地热换热器的设计计算软件对山东建筑工程学院报告厅地源热泵空调系统进 行模拟计算, 结果表明, 在制冷模式时, 当地热换热器流体出口温度在超过 40℃以后;

或在制热模式时, 当流体出口温度在低于 5℃时, 随着地热换热器长度的增加, 地热换热器的出口水温变化较小[5 ] . 这说 明地热换热器夏季的最佳设计出口温度为土壤温度加上 20- 25℃;

冬季为土壤温度减去 10- 15℃ . 而 且通过对建工学院报告厅地源热泵系统的测试表明, 在达到准稳定工况时, 夏季地热换热器的出口温度 在40- 45℃之间, 冬季在 0- 2℃之间, 与模拟计算的结果比较吻合, 与文献[4 ] 建议的冬季工况比较接 近, 但与夏季工况相差较大. 由此, 可以确定土壤源热泵 GCH P 的实际运行工况和性能参数 (按照表

3 相同的计算条件) , 见表 5. 表5土壤源热泵 GCHP 的运行工况及性能参数 夏季制冷工况 冬季制热工况 地层深处土壤温度 ℃

10 20

10 20 热泵机组进出口水温 ℃

30 35

40 45

0 -

5 5

0 冷冻水(热水) 进出口温度 ℃

7 12

7 12

40 45

40 45 蒸发温度 ℃

0 0 -

10 -

5 吸气过热度 ℃

5 5

5 0 冷凝温度 ℃

40 50

50 50 液体温度 ℃

37 47

47 47 制冷量(或吸热量) kW

4012 (100% )

3416 (86% )

2118 2717 放热量(或制热量) kW

4818 4417

3015 (64% )

3712 (78% ) 电机输入功率 kW

1315 1519

1317 1419 机组性能系数

310 212

212 312 从表

5 可以看出, GCH P 的运行工况与国标JB T 4329-

97 规定的名义工况相差很大 . 当地层深处 土壤的温度较低时, 其制冷量和名义工况制冷量比较接近, 但制热量却远低于名义工况的制热量;

当土 壤温度较高时, 机组运行工况的制冷量和制热量均低于国标名义工况的性能参数. 考虑到热泵机组在供 热工况下, 热水的供回水温度为 45- 40℃, 所以制冷工况热源侧的进口温度可适当提高, 因此建议 GCH P 的名义工况见表 6:

4 2

2 西安建筑科技大学学报(自然科学版)第35 卷?1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表6土壤源热泵机组建................