地源热泵供热水-空调冷热联供综合系统的实验研究

1　前言
地源热泵(GSHP)是利用地球表面浅层土壤或地表(地下)水作为热源或热汇,为建筑物供暖、制冷或提供生活热水的高效节能环保型系统。自20世纪80年代以来,国外形成了地源热泵技术的研究和工程实践的新一轮高潮。Kavanaugh与Rafferty指出:除土地的有限性、土地的成本及热泵效率等因素外,考虑采用混合系统的一个主要原因是地下埋管费用太高,应采取补充散热或吸热装置的方法,以平衡全年从土壤中的取放热量[1]。近年国内也有较大发展,文献[2]研究了土壤换热器与冷却塔并联以及土壤源与空气源并联的两种混合型地源热泵系统,指出热水的温度控制及循环水泵的合理配置是系统设计的重要因素。
然而热泵技术在用于制冷空调时,大量冷凝热要排到室外,浪费了能量,而且造成环境的热污染。如今国内学者对此进行了一定的研究。哈尔滨工业大学的王伟等分析了空调冷凝热回收热水供应系统HRHWS的模型与控制策略,指出HRHWS节约了能量和运行费用,降低了污染率[3]。上海同济大学的蔡龙俊等在一台普通空气源热泵的压缩机出口到冷凝器进口之间安装板式换热器,利用回收热量加热生活热水,夏季热回收量占冷凝热的25% ~45%[4]。
以上系统仅解决夏季热水问题,冬季无空调或空调低谷时不能满足热水需求,或者对空调冷凝热只是部分回收,而对采用土壤换热器与空调全部冷凝热实现冷热联供的系统研究甚少。本文针对南方夏季时间长和富水土壤优势,自主设计实施了土壤换热器与空调并联的地源热泵系统,夏季回收全部空调冷凝热来制取热水,并试验研究了地埋管总深度、地埋管和空调的循环介质流量等对热泵系统运行特性的影响,提出系统在不同工况下的合理运行方式,为夏热冬暖地区地源热泵技术和空调冷凝热回收热水供应系统的研究提供参考依据。
2　地源热泵供热水-空调冷热联供综合系统图1为作者自主设计实施的广西大学行健文理学院热水-空调地源热泵冷热联供系统原理图,系统采用土壤换热器和食堂空调并联形式,每天为5200人供应热水约210吨,食堂制冷面积约3600m2。系统由5台水源热泵机组组成,各包括两台功率12. 4kW的压缩机。
当环境温度低于20℃时,系统为土壤源制热水工况,使用水泵1和水泵2(流量42m3/h,额定功率5. 5KW,扬程30m)。1号埋地盘管采用单U垂直埋管方式,材料为PPR管?0. 025m,平均钻井深度为27m,井数150,埋管总深4050m。2号埋地盘管由总深1000m的单U埋管(平均钻井深度25m,井数40)和总深1664m的双U埋管(平均钻井深度26m,井数64)组成。
当环境温度高于20℃时,关闭地下埋管,系统为热水-空调冷热联供工况,使用水泵3(流量100m3/h,额定功率15kW,扬程32m),利用空调冷凝热制热水,获得双重能效,提高了能源利用率,同时减少吸取土壤的热量,使土壤温度场获得恢复期,避免过度取热而导致系统性能下降。空调停止时,热泵机组冷冻水进水温度约6℃,出水温度约3. 5℃,热量的转换大部分来自风机盘管的导热,少量来自管路的散热;空调运行时,热泵机组冷冻水进水温度约11℃,出水温度约7℃,热量绝大部分来自空调末端与环境的换热。经测试夏季食堂温度达到24~26℃。
自来水进入机组,达到设定温度后,进入热水箱1(容积100吨),同时由供水泵(流量42m3/h,额定功率4kW,扬程21m)进入热水箱2(容积120吨)。系统于2006年9月开始,除寒暑假外一直保持高效连续运行,满足了学生公寓的生活热水需要,同时实现食堂的夏季制冷。