浅谈地源热泵空调系统的应用

浅谈地源热泵空调系统的应用【内容提要】秦皇岛数谷大厦是以办公为主的综合办公楼。介绍了该工程的冷、热媒负荷，空调形式等。着重探讨了地源热泵系统的组成、特点，工作原理、发展趋势。【关键词】办公楼、地源热泵、压缩机、冷凝器、膨胀器、调节阀、分类、应用等。1工程概况数谷大厦建于秦皇岛市经济开发区内，占地面积为96.79亩，总建筑面积为46496m2。本建筑的地下一层为设备用房及非机动车库，一层除大堂外为办事大厅，银行，商务，休息,二层至十四是以办公用房为主,夹层以上是以物业办公用房为主,十五层是以多功能厅，会议，休息为主。屋顶为设备用房。数谷大厦的空调系统采用地源热泵方式。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，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，释放到地下去。随着当今传统能源的日趋枯竭及环境污染的加剧，在“节能减排”的国策指导下，地源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈加受到人们的重视。自上世纪90年代国内展开地源热泵技术研究以来，已经过了约二十年的发展历程。吸收了国外的应用研究成果，地源热泵技术在国内已取得了一定的研发进展。2空调设计参数及负荷本工程的夏季冷负荷为4465kW，冬季热负荷为3600kW，依据场地形式及地质条件，采用地源热泵系统，冷水供/回水温度7℃／12℃。经DOE-2模拟分析，设计建筑能耗为3584206kWh，参考建筑能耗为5066711kWh，可节省1482505kWh。本工程的地源热泵系统。地埋管形式为垂直双U，埋管深度为120米，间距5米，孔径150毫米，经热工测量实验后确定井数量为530口。管道采用同程方式连接，室外分5个检查井，经汇集至机房地埋集分水器。地埋管采用专用土壤源热泵专用PE管，管径De32。室外地埋水平管深为2.0米，供回水管均采用岩棉管壳保温，保温厚度为30mm。本工程采用集中热泵空调，热泵机房采用3台LWP99－420X地源热泵机组。其性能参数如下：夏季制冷量为1440kW，耗电量245kW，蒸发器7－12℃，冷凝器25－30℃冬季制热量为1595kW，耗电量346kW，蒸发器10－5℃，冷凝器45－50℃地源热泵空调系统主要设备见表1：表1地源热泵空调系统主要设备编号名称格及参数数量单位安放位置A-1地源热泵机组螺杆式地源热泵机组QL=1440kWQr=1595KW制冷剂HFC-134aW=10710kg设减震基础外型参考尺寸mm:4260×2450×22553台热泵机房内冷冻水参数：T=7～12℃G=250m³/hΔH=60kPa蒸发器接管：DN200冷却水参数：T=30～35℃G=298m³/hΔH=65kPa冷凝器接管：DN200用电量参数：制冷：N=245kW/3×380V,50HZ制热：N=346kW/3X380V,50HZA-2冷冻水泵空调循环泵SLW200-315G设计参数：G=262m³/hH=380kPa参考电量：N=45kW/3×380V,50HZP=1.6MPa设减震基础控制尺寸mm:2000×10004台热泵机房内三用一备并提供并联运行选型曲线系统内介质为水A-3冷却水泵空调循环泵SLW200-400G设计参数：G=310m³/hH=320kPa参考电量：N=45kW/3×380V,50HZP=1.6MPa设减震基础控制尺寸mm:2000×10004台热泵机房内三用一备并提供并联运行选型曲线系统内介质为水A-4冷冻水分水器L=3100mmD700P=1.6Mpa1台热泵机房内A-5冷冻水集水器L=3100mmD700P=1.6Mpa1台热泵机房内A-6冷却水分水器L=3350mmD800P=0.6Mpa1台热泵机房内A-7冷却水集水器L=3350mmD800P=0.6MPa1台热泵机房内A-8全程水处理器SLWQ-350A处理水量G=750m³/h功能：杀菌，灭藻，防垢，防腐，超净过滤。N=450W/1×X220V,50HZP=1.6MPa1台热泵机房内A-9全程水处理器SLWQ-400A处理水量G=900m³/h功能：杀菌，灭藻，防垢，防腐，超净过滤。N=450W/1×220V,50HZP=1.6MPa1台热泵机房内A-10冷却水变频定压补水装置变频补水机组配置2台立式多级离心泵参数G=10m³/hH=350KpaN=3kW/3×380V,50HZP=1.6MPa1套热泵机房内A-11冷冻水变频变频补水机组配置2台立式多级离心泵参数1套热泵机房内定压补水装置G=10m³/hH=900kPaN=5.5kW/3×380V,50HZP=1.6MPa缓冲罐1个∮1000mm×2000mm调节水容积500LA-12软化水箱不锈钢组合式水箱V=30m³4m×3m×2.5m1台热泵机房内A-13全自动软化水装置SLWRS-8处理水量7～9.2m³/h1套A-14空气处理机LCAC-33000m³/hP=190PaN=0.55KW/3×380V,50HZ1台消防控制室A-15空气处理机LCAC-66000m3/hP=200PaN=1.5kW/3×380V,50HZ1台配电控制室A-16新风机组XF-0115000m3/hP=400PaN=4.0kW/3×380V,50HZ1台地下室走道A-17新风机组XF-0220000m3/hP=400PaN=5.5kW/3×380V,50HZ1台热泵机房内A-18热回收式新风机组PAU-32500m³/hN=0.5+0.4kW/3×380V,50HZ1台楼层走廊A-19热回收式新风机组PAU-13000m³/hN=1.1+0.4kW/3×380V,50HZ33台楼层走廊A-20风机盘管FP-006Q=930kg/hP=30PaN=97W/220V,50HZ721台办公房内A-21风机盘管FP-007Q=1040kg/hP=30PaN=120W/220V,50HZ45台办公房内A-22风机盘管FP-008Q=1260kg/hP=30PaN=138W/220V,50HZ195台办公房内A-23风机盘管FP-010Q=1490kg/hP=30PaN=163W/220V,50HZ16台办公房内3地源热泵的组成地源热泵主要由四个部件组成:即压缩机、冷凝器、膨胀器和调节阀,其中压缩机是地源热泵的最主要部件,是热传导的动力源;冷凝器和膨胀器是地源热泵吸热和放热的部件;调节阀是地源热泵的控制部件。地源热泵内部热转换如图1所示。图1地源热泵内部热转换3.1、压缩机压缩机是用于压缩气体借以提高气体压力的机械。根据其工作原理和构造,压缩机可分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机包含有活塞式和回转式;速度型压缩机有离心式和轴流式两种。3.2、冷凝器冷凝器的作用是将高压、过热的制冷剂蒸气凝结为液体,同时将热量传导给周围的冷却介质。在地源热泵供暖的场合,与冷凝器连接的是地上传热系统,即室内采暖循环,冷凝器从制冷剂中吸取热量,加温循环的采暖水,完成地源热泵整个热传导过程。在制冷场合,冷凝器连接着地下循环系统,从制冷剂中吸取的热量传导给地下循环水,将热量带至地下,完成地源热泵的整个热传导过程。根据冷却介质和冷却方式的不同,冷凝器可分为三类:水冷式冷凝器、空气式冷凝器和蒸发式冷凝器。地源热泵全都采用水冷式冷凝器,其特点是传热效率高,结构紧凑。水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式和套管式,工作原理和效率相差不大,可根据需要选取。3.3、膨胀器膨胀器的作用是使制冷剂汽化,从循环水系统中吸取热量,同时使循环介质的温度降低。其工作原理是:在供暖场合,由地下循环系统抽到膨胀器中的循环水经过膨胀器而释放能量,使得制冷剂由液态蒸发(沸腾)成为气态,同时循环水温度降低,重新注入地下。在此过程中,热量从地下循环系统传递到地源热泵制冷循环的制冷剂中,完成了热传导的第一步。在制冷场合,地上循环系统的传热液体进入膨胀器,将建筑物内的热量传导至制冷剂中,也完成了热传导的第一步。根据被冷却介质种类的不同,膨胀器可分为冷却液体的膨胀器和冷却空气的膨胀器。地源热泵采用的都是前者。常用于地源热泵的有壳管卧式膨胀器、干式膨胀器和沉浸式膨胀器,其中沉浸式膨胀器又有立管式、双螺旋管式和盘管式三种。3.4、调节阀调节阀是制冷装置的制冷剂节流机构,是实现制冷循环不可缺少的部件。调节阀的主要功能有:对高压液态制冷剂节流降压,保证冷凝器和膨胀器之间的压力差,使进入膨胀器的制冷剂在要求的低压下蒸发、吸热,从而达到热传导的目的;调整进入膨胀器中的制冷剂流量,以适应膨胀器的热负荷变化,保证制冷装置正常运行。调节阀的种类比较多,有手动调节阀、浮球调节阀、热力膨胀阀和热电膨胀阀等。目前浮球调节阀和热力膨胀阀应用较多,手动调节阀已被淘汰;而热电调节阀与变频压缩机组成的制冷系统是比较先进的技术,能够得到最佳的匹配。4地源热泵特点4.1、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。4.2、属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。4.3、环境效益显著系统运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。4.4、一机多用，应用范围广地源热泵系统可供冷、暖空调，还可供生活热水，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；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。5地源热泵工作原理地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。其工作原理是:利用地壳浅层的恒温特性,在冬季采暖时,低温地热加热人工注入的采热媒体(一般为水或水和防冻液的混合物),经过地源热泵释放能量,再循环注入地下加温;在夏季制冷时,地上循环系统将建筑物内的热量经过地源热泵交换到地下循环系统中,通过封闭循环将热导至地壳内。地源热泵机组其原理如图2所示。图2地源热泵机组原理地源热泵机组实际为单级蒸气压缩式制冷循环，它由四大件组成：压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。低温低压的气态制冷剂经过压缩机压缩后变为高温高压的气体，该气体到达冷凝器中冷凝为液体，同时放出大量的热。冷凝后的制冷剂高压液体通过节流阀使自身压力降低，这时已经有一部分液体汽化，剩余的低温低压气液两相混合状态进入蒸发器，在蒸发器中完全蒸发成气体，同时吸收热量（也可理解为放出冷量）。这就是整个制冷循环的过程，制冷剂的变化过程如图3所示。图3制冷循环中制冷剂的变化过程6地源热泵空调系统施工工艺地源热泵空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。地源热泵机组和室内采暖空调末端