地源熱泵恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)實驗研究 余鑫

1、中國工程熱物理學會 工程熱力學及能源利用學術(shù)會議論文 編號：091137地源熱泵恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)實驗研究余鑫 王如竹 翟曉強（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）（Tel:22; Email: yuxty）摘要：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)有高的能源利用效率，對于建筑物空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能以及減少CO2排放有著很大的優(yōu)勢。本文對一個室內(nèi)需要恒溫恒濕條件的建筑物中使用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冬季運行工況進行了實驗研究。采用一臺熱泵機組供熱與另一臺熱泵機組制冷相結(jié)合的模式來達到室內(nèi)恒溫恒濕的要求。結(jié)果表明，供熱模式的熱泵機組在典型工況下的平均COP達到5.2；恒溫恒濕空調(diào)的采

2、用，使得地源熱泵與土壤之間的換熱量減少20%；室內(nèi)平均溫濕度分別為22.8和47.5%，此外，室內(nèi)溫濕度的日波動幅度都可控制在規(guī)定范圍，達到恒溫恒濕的要求。關(guān)鍵詞：地源熱泵；恒溫恒濕；冬季工況；實驗0. 引言地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其較高的能源利用效率，相比于傳統(tǒng)的供熱和制冷系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢 1-3。C.A.De Swardt等對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了對比。得出供熱工況下，地源熱泵系統(tǒng)比空氣源熱泵供熱量高出13%，COP高出14%，尤其是在室外溫度比較低的情況下，地源熱泵系統(tǒng)供熱量比空氣源熱泵高出24%，效率高出20%4。J.F.Urchueguia等對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和空氣

3、源中央空調(diào)機組進行了對比，得出在相同負荷的情況下，供熱工況時，地源熱泵系統(tǒng)比空氣源中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能43%±17%，而在制冷工況時，地源熱泵系統(tǒng)比空氣源中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能37%±18%5。Yutaka Genchi等對東京一個高能耗地區(qū)的一套地源熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)進行對比，研究CO2排放量的關(guān)系，得出地源熱泵系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)減少了54%6。A.Hepbasli等對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了大量的研究，研究表明地源熱泵系統(tǒng)對節(jié)能以及減少CO2排放有著很大的優(yōu)勢7-9。與其他的空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)有更穩(wěn)定的冷熱源。由于土壤的熱容性，外界環(huán)境溫度只能影響到土壤表面的溫度，

4、而對較深層的土壤溫度的影響幾乎可以忽略。一般來說，在地下10m以下土壤溫度就可以保持長年穩(wěn)定10,11。同時，對于要保證室內(nèi)恒溫恒濕條件的空調(diào)系統(tǒng)來說，同時供熱、制冷以及供熱制冷之間的隨時切換顯得尤其重要，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足這個要求。本文對一個室內(nèi)需要恒溫恒濕條件的建筑物中使用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冬季工況進行了實驗研究。1. 系統(tǒng)介紹這套地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)安裝在位于上海閔行區(qū)的檔案館中。儲存環(huán)境的溫度和濕度是影響紙質(zhì)檔案保存的最重要的因素，因此檔案庫房要求全年提供空調(diào)以保證室內(nèi)恒溫恒濕的環(huán)境。根據(jù)我國國家檔案局2000年頒布的檔案館建筑設(shè)計規(guī)范（JGJ25-2000），檔案庫房的溫濕度要求

5、及其波動幅度要求為：干球溫度為1424，相對濕度為45%60%，在選定溫、濕度后，每晝夜波動幅度要求溫度不得大于±2、相對濕度不得大于±5%。該檔案館建筑由地下一層、地上四層組成，建筑面積為8000m2。兩臺并聯(lián)的熱泵機組為建筑物提供空調(diào)所需的熱水和冷水。建筑物分為檔案庫房和辦公用房兩部分，檔案庫房由若干恒溫恒濕機組提供空調(diào)，采用全空氣系統(tǒng)，恒溫恒濕機組中的冷水盤管和熱水盤管都和熱泵機組相連。辦公用房和走廊是由兩管式風機盤管系統(tǒng)提供空調(diào)，盤管和熱泵機組相連。根據(jù)空調(diào)房間的功能和位置，該建筑物空調(diào)系統(tǒng)基金項目：上海市科委科研計劃項目（07DZ12021）?？煞譃樗膫€環(huán)路：東面

6、恒溫恒濕機組環(huán)路、西面恒溫恒濕機組環(huán)路、辦公室風機盤管環(huán)路和走廊風機盤管環(huán)路。地下埋管換熱器由280口井并聯(lián)組成，每口井的直徑為160mm，每口井中包括一根80m深管徑為DN32的單U形管。系統(tǒng)的原理圖如圖1。圖1 供熱模式系統(tǒng)圖2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本實驗的目的主要是為了研究采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是否能在較高能源利用率的情況下滿足檔案庫房這種特殊建筑物室內(nèi)恒溫恒濕的要求，因此采集了以下數(shù)據(jù)：室外溫度、濕度；室內(nèi)溫度、濕度；地埋管換熱器進出口水溫以及熱泵機組蒸發(fā)器和冷凝器進出口水溫。以上的數(shù)據(jù)每隔一分鐘記錄一次，溫度采集采用自計式溫度記錄儀，誤差范圍為-0.50.5，流量測量采用超聲波流量計，誤差范

7、圍為1%5%。實驗中，兩臺熱泵機組分別稱作1號熱泵和2號熱泵。3. 實驗結(jié)果分析及討論實驗的典型冬季日室外平均溫度為8.9，室外平均相對濕度為69.5%。為了滿足室內(nèi)恒溫恒濕的要求，冬季運行工況下有時還需要對空氣進行除濕，這樣2號熱泵就開啟制冷模式提供除濕用的冷水，因此在當日1號熱泵處于供熱模式而2號熱泵處于制冷模式。圖2為1號熱泵冷凝器進出口水溫，1號熱泵冷凝器平均入口水溫為38.8，平均出口水溫為43.2，計算出1號熱泵平均制熱量為463.7kW，平均COP為5.2。圖2 1號熱泵冷凝器進出口水溫在1號熱泵開啟供熱模式而2號熱泵開啟制冷模式的情況下，1號熱泵的蒸發(fā)器和2號熱泵的冷凝器就同時

8、和地下埋管換熱器連接，從1號熱泵蒸發(fā)器中流出的水和從2號熱泵冷凝器中流出的水混合后才流入地下埋管換熱器中。圖3顯示了1號熱泵蒸發(fā)器的進出口水溫，入口平均水溫為17.3，出口平均水溫為15.8。圖4顯示了2號熱泵冷凝器的進出口水溫，入口平均水溫為17.5，出口平均水溫為18.2。從圖4中可以看到2號熱泵冷凝器出口水溫變化頻繁，這主要是因為2號熱泵在制冷模式下負載很小，只是為了對空氣進行除濕，而當末端的恒溫恒濕機組不需要除濕時，冷盤管閥門自動關(guān)閉，這就造成2號熱泵的制冷量減小，當減小到一定程度時，機組自動停機，當負荷逐漸增大后，機組又自動開機，因此2號熱泵的啟停比較頻繁，這就造成冷凝器出口水溫變化

9、頻繁。圖3 1號熱泵蒸發(fā)器進出口水溫圖4 2號熱泵冷凝器進出口水溫圖5顯示了3月份室外溫度變化以及地下埋管換熱器與土壤的換熱量。圖中曲線表示室外的溫度變化，條形圖中正值表示從土壤中吸熱，負值表示向土壤放熱，可以看到室外溫度較低的時候從土壤中吸收的熱量比較大。期間，地下埋管換熱器總共從土壤中吸收的熱量為6×104MJ。而如果2號熱泵不開啟制冷模式，除去恒溫恒濕機組需要除濕的因素外，那么通過計算可以得到從土壤中吸收的熱量為7.48×104MJ，比2號熱泵開啟制冷模式多了20%?？梢?號熱泵開啟制冷模式不僅提供了除濕需要的冷水，還減少了從土壤中吸收的熱量。圖5 土壤換熱量及室外溫

10、度圖6表示典型冬季日內(nèi)檔案庫房室內(nèi)溫度和相對濕度的變化，得出當日庫房室內(nèi)平均溫度為22.8，平均相對濕度為47.5%。室內(nèi)溫度設(shè)定值為23，室內(nèi)濕度設(shè)定值為50%。實驗結(jié)果表明，相對于室內(nèi)溫濕度設(shè)定值，庫房的溫度日變化幅度在±0.5內(nèi)，相對濕度日變化幅度在±5%以內(nèi)，都達到了檔案庫房的設(shè)計標準。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析地源熱泵恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)在典型冬季日的空氣處理過程，如圖7所示。N（22.5，46%）為室內(nèi)狀態(tài)點，同時也是回風狀態(tài)點，L（11，90%）為空氣經(jīng)過冷盤管后的狀態(tài)點，NL表示2號熱泵的冷卻除濕過程；O（31，26.1%）為經(jīng)過熱盤管后的狀態(tài)點，也就是送風狀態(tài)點，LO表

11、示1號熱泵的加熱過程。圖6 檔案庫房室內(nèi)溫濕度圖7 恒溫恒濕機組空氣處理過程4. 結(jié)論（1）在冬季典型運行工況下，采用一臺熱泵機組供熱另一臺熱泵機組制冷相結(jié)合的運行模式來滿足室內(nèi)恒溫恒濕的需要。處于供熱模式的地源熱泵機組平均制熱量為463.7kW，平均制熱COP為5.2；處于制冷模式的地源熱泵機組制冷量很低，其主要目的是控制送風相對濕度。（2）恒溫恒濕空調(diào)的采用，使得地源熱泵與土壤之間的換熱量減少20%，有利于維持土壤的熱穩(wěn)定性。（3）地源熱泵恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)運行期間，庫房室內(nèi)平均溫度為22.8，平均相對濕度為47.5%，相對于設(shè)定值，溫濕度波動幅度分別為-0.50.1以及-5%3%，滿足檔案

12、庫房的使用要求。參考文獻1 Kavanaugh SP. (1992) Field test of vertical ground-coupled heat pump in Alabama. ASHRAE Transactions, 98,607-16.2 A.Hepbasli, O.Akdemir. (2004) Energy and exergy analysis of a ground source (geothermal) heat pump system, 45,737-753.3 Yusuf Ali Kara. (2007) Experiment performance evalua

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