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地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北京住宅區(qū)的應(yīng)用研究
文獻翻譯
題 目:地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)
在北京住宅區(qū)的應(yīng)用研究
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地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北京
住宅區(qū)的應(yīng)用研究
陳超 孫鳳玲 馮磊 劉明
北京科技大學建筑環(huán)境與設(shè)備工程
2005年2月26日在Beijing 100022,PR China 上發(fā)表
摘要:在本文中,我們匯報一個地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北京一幢高層公寓樓的應(yīng)用情況。外部低溫熱源采用14℃的水。通過對兩年實測試數(shù)據(jù)進行了分析研究,筆者對該系統(tǒng)的操作和控制條件作了評估?;诠灿迷O(shè)備和末端熱泵所消耗的電能,筆者對系統(tǒng)的節(jié)能特性提出了綜合性的評價。
關(guān)鍵詞:住宅建筑;實測數(shù)據(jù);地下水源;水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng);能耗分析
1. 引言
近幾年地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在中國快速發(fā)展。然而,這個系統(tǒng)的應(yīng)用有許多因素限制的。首先,必須要有豐富和穩(wěn)定的地下水源,這是最關(guān)鍵的先決條件。該系統(tǒng)的經(jīng)濟性是和地下含水層的深度是密切相關(guān)的。此外,如何保護地下水源也是一個重要的問題。
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以結(jié)合許多平行的水源熱泵用一個封閉的雙管循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)水不僅是冷源冷卻方式,而且是熱源的加熱方式。用于循環(huán)水的冷/熱源是由地下水提供的,或由一個冷卻塔結(jié)合鍋爐提供的。在北京一棟公寓中采用的是水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),采用井水作為低溫熱源。
本研究是對水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的操作和控制條件進行評估,并在對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的分析中得到應(yīng)用。進而,本研究對該系統(tǒng)節(jié)能能力做了綜合評價。2. 項目
在北京的公寓樓是由A,B,C三個塔式建筑組成的,地上最高32層,地下3層。它占地面積是14175㎡,總建筑面積87948.7㎡。公寓樓的地上部分采用地下水源水環(huán)熱泵系統(tǒng),地下部分的空調(diào)系統(tǒng)是一種熱風供暖系統(tǒng)。設(shè)計空調(diào)冷/熱負荷為64 / 51.8W/㎡,空調(diào)面積約70000㎡。
空調(diào)系統(tǒng)利用的地下水源來自建筑物周圍的四眼井,井深170m,井管徑500㎜。每兩眼井之間的距離是120m。對四眼井可開采水層累計深度為50~160m。地下水位埋深約18~20m,每眼井設(shè)計出水流量約為200m3/h。每口井各配有一個深井泵(額定功率45KW)。井水的設(shè)計出水溫度是12~14 ℃。本次調(diào)查深井水的含砂量為1 / 10000。以下是深井水源系統(tǒng)的運行模式。
為了保持地下水系統(tǒng)的平衡,4眼井中2抽2回灌。抽水的井和回灌的井每半年交替使用一次。井水是自然回灌的。在板式熱交換器的井水側(cè)(簡稱一次側(cè)),那有三太速率恒定流泵(其中1臺是備用泵)。額定功率為45KW,最大水流量為200m3/h。這些泵也用于回灌的。在夏季,有主泵將井水放入板式熱交換器。井水的溫度是14℃和設(shè)計的上升溫度為10℃。當儲水池中的水的溫度高于28℃時,水被回灌。在冬季,井水流入到熱交換板的溫度是14℃和出來時水溫下降6℃。通過的熱交換后,井水的溫度下降到8℃。然后,水回灌到井中。如果井水的溫度低于設(shè)計值,輔助的鍋爐,作為熱源的補充,用于添加加熱水。圖示1(a)是井水側(cè)的水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理。圖1(b)是循環(huán)水側(cè)(簡稱二次側(cè))系統(tǒng)的板熱交換器的工作原理圖。循環(huán)水系統(tǒng)是采用雙管異程系統(tǒng),并以16層為界豎向分為兩個區(qū)域,即,高的區(qū)域和低的區(qū)域。在高區(qū)和低區(qū)的二次側(cè),有三個恒定流速(1臺是備用泵)循環(huán)泵。其額定功率為30KW,設(shè)計流速為400m3/h。這些循環(huán)泵每天24小時連續(xù)運行。系統(tǒng)定壓方式均采用變頻泵補水定壓。
基于每個公寓的面積的大小,在每個住宅公寓安裝一個或兩個水源熱泵機組。熱泵機組是由美國特靈公司制造的。水環(huán)路將小型的水 - 空氣熱泵機組并聯(lián)在一起。在夏季,循環(huán)水的溫度是18~32℃;在冬季是12~6℃。各個水源熱泵機組相互并聯(lián),組成封閉的雙管循環(huán)回路系統(tǒng)和他們是通過板式熱交換器與地下水進行熱交換的。
(a) 井水側(cè)
(b)二次側(cè)
圖1 地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖
3. 調(diào)查和數(shù)據(jù)收集
本次測試的時間為2002年9月至2004年2月:測量包括在一次側(cè)上的入口/出口的水的溫度(即,井水側(cè)溫度),在二次側(cè)上的進/出水的溫度(即,空調(diào)水系統(tǒng)側(cè)),水泵的運行狀態(tài)記錄及其水流量(板式熱交換器一次側(cè)水泵、板熱交換器二次側(cè)循環(huán)泵)和每戶的日耗電量。
·用電記錄 物業(yè)管理部門有一個手動記錄用電量的有每天的人工抄表記錄??照{(diào)系統(tǒng)的電力消耗記錄包括兩個部分。一個是由設(shè)備所消耗的電力,其中包括電梯、非空調(diào)用水泵及其他的電氣設(shè)備、地下水源用于深井水泵、一次側(cè)水泵和二次側(cè)在空調(diào)用于循環(huán)水泵等設(shè)備的電力消耗。另一種是每戶每一天的總用電量記錄,由每間公寓的電表直接讀取,它包括每戶的照明、家電產(chǎn)品、個人計算機、通風換氣設(shè)備和水源熱泵機組等在內(nèi)的消費總電量的記錄,物業(yè)管理部門在這個消費記錄的基礎(chǔ)上向用戶收取的電費。
·系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)中個點的運行數(shù)據(jù)的實時記錄,采用了美國TRANE公司開發(fā)的智能建筑自控軟件TRACER SUMMIT5.01對系統(tǒng)的運行情況進行即時記錄。通過軟件檢測的數(shù)據(jù),包括板式熱交換板一次側(cè)上的入口/出口的水溫度、二次側(cè)上入口/出口的水溫、室外空氣的溫度、深井泵、一次泵和二次循環(huán)泵關(guān)閉打開的狀態(tài)及故障報警等。本次調(diào)查每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。
·在處理數(shù)據(jù)的過程中,對一些明顯錯誤的數(shù)據(jù)進行剔除。
4. 系統(tǒng)運行的基本情況
⒋1. 深井水泵
深井水泵的開停運行是根據(jù)調(diào)節(jié)池的水位控制的。根據(jù)設(shè)計,在調(diào)節(jié)池中設(shè)置5個水位控制點,用來控制泵開 - 關(guān)順序,操作運行模式和聲光報警水位。該系統(tǒng)自2000年12月運行以來,深井水泵系統(tǒng)一直正常運行。
⒋2. 井水的溫度和在主側(cè)的溫度差
根據(jù)2003年2月25日至15日井水的溫度記錄;2003年4月,井水的溫度約為16℃,出現(xiàn)小幅波動,而每天平均的溫度卻有大幅波動(Δtw=-6~19℃)?;毓嗟木疁囟仍?2~16℃之間波動,井水的最高溫度下降約4℃(
Δt1= 4℃)。2003年6月1日至2003年8月31日,根據(jù)調(diào)節(jié)水池中井水的溫度記錄,井水溫度在21~22℃之間波動。通過板熱交換器使井水的回灌溫度穩(wěn)定在約27.5℃。井水的溫度下降為約5℃(Δt1= 5℃)。由于該系統(tǒng)已經(jīng)運行時,深井泵沒有被頻繁使用,然而沉降比超過90%。2003年,深井水泵在夏天的工作頻率低于冬季的。井水的系統(tǒng)所提供的熱負荷,能夠完全滿足大樓的空調(diào)負荷的要求,所以一次側(cè)設(shè)置的備用熱源設(shè)使用使用頻率很小。當室外空氣的溫度是如此之低時一次側(cè)的水加熱,二次側(cè)的在設(shè)計時水的溫度也低。在一般情況下,在回灌井一般每15天回揚1次,每次15分鐘。
⒋3. 二次側(cè)水溫差
根據(jù)2003年2月25日至4月15日的數(shù)據(jù)記錄,二次側(cè)水流進板式熱交換器的溫度在9~10℃之間波動,二次側(cè)的水流出的板式熱交換器的溫度約為11℃。二次側(cè)循環(huán)水的實際溫度(11~9℃)是小于的設(shè)計參數(shù)溫度(12~6℃)。此外,根據(jù)從2003年6月1日至8月31日的數(shù)據(jù)記錄,二次側(cè)水流進板式熱交換器的溫度在27~28℃之間波動,二次側(cè)的水流出的板式熱交換器的溫度( )約為25℃。
在表1中顯示出一次(井水側(cè))側(cè)進/出水溫度( )和二次(空調(diào)水系統(tǒng)側(cè))側(cè)進/出水溫度 在夏季,在調(diào)節(jié)水池中的水溫是從2003年6月1日至8月31日記錄中的數(shù)據(jù);在冬季,井水溫度數(shù)據(jù)是從2003年2月25日至4月15日實測記錄的。從表中我們可以看到,在實際運行工況和設(shè)計工況是完全不同。實際運行工況的入口/出口的溫度差是小于設(shè)計工況。這會導致在系統(tǒng)的熱交換效率降低。
根據(jù)設(shè)計,在換熱器二次側(cè)上的4臺循環(huán)水泵是定流量泵。其額定功率為30KW。每個消費者的末端水源熱泵機組水管道上,應(yīng)該有一個電磁閥和平衡閥。然而,他們在實際施工中被省略,因為水源熱泵機組需要最小的流率來避免水結(jié)冰,以及在管道的熱泵機組上沒有聯(lián)鎖的流量開關(guān)。因此,四個次級泵運行與周圍滿負荷的時鐘,無論有多少個末端水源熱泵運行。這被認為是導致水溫差(Δt2)較小最重要的原因的之一。
根據(jù)在冬季記錄,進/出水溫有時超出控制溫度范圍。這可能是由于一次泵設(shè)置的負載不合邏輯。
⒋4. 水泵開啟頻率
圖2顯示出了從2002年11月至2004年1月各類水泵的月啟動頻率的變化。空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié),在春夏從4月16日至5月29日和秋冬從9月10日至10月28日沒有運行。從圖2可以看出,,最大運行時間1#深井泵和1#主泵,每月不超過2000次。每月2#泵的運行時間更短。在冷卻階段(夏季),2#一次泵的運行時間比冬季短。盡管,大多數(shù)居民已搬進了樓房,但兩個深井水泵同時運行頻率是非常低的,一次泵也是同樣的。另外,在冬季深井泵和一次泵的運行次數(shù)是基本上是一致的,但是,在夏天,深井泵的運行頻率是小于的一次泵。作者認為,夏季和冬季之間的差異主要是由于2003年夏天涼爽。而且這種差異直接反映在了水泵能耗上(圖2)。
圖 2 各類空調(diào)系統(tǒng)用水泵供暖、冷氣的月開啟次數(shù)
5. 確定的空調(diào)系統(tǒng)中的電力設(shè)備耗電量的推算方法
空調(diào)系統(tǒng)中分析能量消耗最困難的問題是專門針對空調(diào)設(shè)備運行耗電量的記錄很少。
對于水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),作者提出了一種方法來推算的空調(diào)系統(tǒng)的耗電量。這種方法的基本思想是將整個空調(diào)系統(tǒng)電力消耗分為兩部分:一部分是由空調(diào)系統(tǒng)中公共使用的部分所消耗的電能,即,深井泵、一次泵和二次循環(huán)泵等的耗電量;另一部分是每戶使用水源熱泵機組所消耗的電力。
⒌⒈ 公共使用空調(diào)系統(tǒng)中電力設(shè)備所消耗的電力
電力設(shè)備包括深井水泵,一次泵和二次循環(huán)泵。對于定流量泵,其工作電壓為380 V和工作電流波動比較小時,只要知道水泵的運行時間,即根據(jù)TRACER SUMMIT5.02的空調(diào)系統(tǒng)實時運行記錄的數(shù)據(jù),根據(jù)這些參數(shù)用方程式(1),可以計算出耗電量每臺泵的小時耗電量、日耗電量、月耗電量、年耗電量。
(1)
其中:W 是公眾使用的某一天空調(diào)系統(tǒng)計算出的電力消耗,KW/d;
I 是在公共場合使用的空調(diào)系統(tǒng)的工作電流,A;
U 為工作電壓,V;
COSθ 是功率因數(shù);
t是在公共場合使用空調(diào)系統(tǒng)的操作時間,h;
1000 轉(zhuǎn)換常數(shù)。
⒌⒉ 末端水源熱泵機組消耗的電力
雖然,在現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)調(diào)中記錄了用戶每天的電力消耗,其中包括照明,家電,個人計算機,通風換氣裝置和水源熱泵機組等在內(nèi)的每戶每天日常用電量的總和。通過分析用電量的組成,它可以被分成的不變動的電力消耗和變化部分的電力消耗。在圖3,顯示某戶2002年9月至2004年2月總用電量的余額變動實測值。從這個圖中,我們可以看到,當空調(diào)停止運行時,電力消費量是比較穩(wěn)定的(實線以下部分)。而這種用電量被稱為不變動部分的耗電量。然而,在空調(diào)運行時間段有一個明顯的變化過程。日常用電高峰發(fā)生在冬季最冷或夏季最熱的月份。這種用電量被稱為變化部分的耗電量。因此,我們可以推算出末端水源熱泵機組消耗的電力通過公式:
(2)
其中 ,某戶的日??偤碾娏?,KW/d;
,日常不變動的電力消耗,KW/d;
,日常變化的電力消耗,KW/d。
圖 3 某住戶日消費總電量的月變動實測值
在公寓的空調(diào)系統(tǒng)停止運行過渡季節(jié),即每年的春季和夏季4月16日至5月19日,秋季和冬季是9月25日至10月17日。在這些過渡期間,所有的空調(diào)水泵和每戶的熱泵機組均停止運行。因此,只記錄了普通家電所消耗的電力。這是作為在這期間每天不變的電力消費。通過方程式(3)可以計算出每戶熱泵機組某天的電力消耗。
(3)
其中:是某戶的熱泵機組某天的電力消費,KW/d;
W`是某戶的熱泵機組某天的總電力消耗,KW/d;
W1是相關(guān)影響因素考慮在內(nèi)之后不可改變的部分的電力消耗,KW/d。
⒍ 空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗分析
對該空調(diào)系統(tǒng)2002年9月2004年2月的運行數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果如下所示。
⒍⒈ 公共使用的電力設(shè)備的能源消耗分析
數(shù)據(jù)取自從2002年11月至2004年2月的(見表2)。深井泵的耗電量,在冬季是在夏季的兩倍左右。這可能與2003年的冷夏有一定的關(guān)系。一次泵的耗電量在冬季比夏季多一點。然而,二次泵耗電量在冬天和夏季是相同的。這是因為空調(diào)系統(tǒng)運行時該泵要全天維持恒定的流速。這部分的消耗是各類泵整體消耗三分之二。無論是在加熱和冷卻期間,每類泵的每月的電力消耗示于圖4中。
圖4各類空調(diào)系統(tǒng)用水泵供暖、供冷期的月消費量
⒍⒉ 末端水源熱泵機組的能耗分析
該住宅公寓的A,B,C三座有塔式建筑內(nèi)共有住戶368戶。根據(jù)面積大小分為大,中,小三類戶型。小戶型(60~90㎡)的有72套,248套中戶型(120~160㎡)和48套大戶型(245㎡)。更重要的是,小戶型和中等戶型每戶設(shè)置1臺熱泵機組,但有兩個熱泵機組安裝在大戶型公寓。
在2003年4月16日至5月29日和 9月25日至10月17日作者調(diào)查每天每個消費者的電力消耗。在這兩個過渡季節(jié),空調(diào)系統(tǒng)停運。我們的數(shù)據(jù)處理的方法(第5.2節(jié)中所示),用于計算由末端水源熱泵機組消耗的電力。然后,在空調(diào)系統(tǒng)停止運行時,我們分析出了各類戶型單位建筑面積不變部分的日耗電量,如表3所示??梢缘贸鼋Y(jié)論,一個大戶型用戶所消費的不變的耗電量只有小戶型或中戶型的約三分之二。
同理,各類戶型單位面積變動部分所消耗的日平均耗電量用公式(3)計算,即空調(diào)的電力消耗,如表4中所示。結(jié)果和表3相似,即,中小戶型的空調(diào)耗電量相近,而大戶型的單位面積耗電量低于前兩種的(在夏季是前者的70﹪~80﹪,在冬季大約是前者的50﹪)。在表3和表4中表明,即在冬季(包括12月和1月),小戶型和中戶型的空調(diào)日耗電量占總耗電量的75﹪左右:特別是,由一個大戶型的空調(diào)日耗電量占總耗電量70﹪。而各類戶型在夏天(包括7月和8月)的空調(diào)日平均耗電量則與非空調(diào)的用電量接近。
從2002年10月至2004年1月實時記錄數(shù)據(jù),獲得了各住戶的日耗電總量記錄以及空調(diào)用水泵的運行工況。根據(jù)上面提到的推算方法,在空調(diào)系統(tǒng)中的公共使用部分和末端部分月耗電量(在圖5中所示)是被推算出來的。由圖5可見,我們知道在冬季和夏季空調(diào)系統(tǒng)公共設(shè)備的使用月消耗電量之間沒有明顯的差異,這是因為能耗比例很大的空調(diào)用二次循環(huán)水泵24h連續(xù)運行。此外,二次循環(huán)水泵的操作模式?jīng)]有受到室外氣候的變化影響。然而,對于不同的季節(jié),空調(diào)末端部分月耗電量隨季節(jié)不同差異很大。另外,在2003年和2004年的冬季,在同一個月中空調(diào)的末端部分得耗電量遠遠超過同月公共使用的部分。而在2003年夏季(即,冷夏),相同月份在這兩個部分之間沒有明顯的差異。這個結(jié)果從另一方面也反映了空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)的高低??照{(diào)系統(tǒng)的能好的高峰期總是出現(xiàn)在冬天1月和2月和夏天的7月和8月。
圖5空調(diào)共用部分和末端部分供暖、冷期的月消費電量的推算值
⒎ 經(jīng)濟分析
根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備公共使用部分和各戶末端水源熱泵機組耗電量的推算方法,然后分析結(jié)果??赏扑愠鲈摽照{(diào)系統(tǒng)供暖供冷期的空調(diào)運行費用(表5)。其中,在冬季的供暖是從11月1日至次年2月28日,在夏季的供冷是6月16日至9月15日,電價為每千瓦時0.44元計算。
如表5中所示,如果在冬季供暖期按4個月和夏季供冷期按3個月考慮,空調(diào)末端設(shè)備的經(jīng)營成本冬季會比夏季要高得多。在2003年,中,小戶型用于供暖和用于供冷的成本之比高達4,大戶型也達到了2.6。這可能與在2003年的冷夏有關(guān)。通過與末端部分比較,公共使用的部分用于供暖支付的成本和用于供冷的成本差別則要小得多。這是因為在公共使用的部分(即,對于深井泵,一次泵和二次循環(huán)水泵)的能耗中,二次循環(huán)水泵占的能耗比例最大。
⒏ 結(jié)論
通過對北京的一座公寓樓地下水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)兩年多來運行情況的跟蹤調(diào)查。 得出以下結(jié)論:
·塔型住宅建筑,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有有許多優(yōu)點,如靈活性,而且易于每一位消費者控制。與中央空調(diào)系統(tǒng)相比較該系統(tǒng)更經(jīng)濟,更節(jié)能,該系統(tǒng)需要一個冷熱源。
·在這個系統(tǒng)中,然而,根據(jù)水源熱泵機組末端負載的實際運行,二次泵系統(tǒng)的不能改變流量。其結(jié)果是,在公共使用部分的水泵的能量消耗和操作成本都會增加。
·在這個系統(tǒng),井側(cè)水系統(tǒng)和末端側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)之間加入了一個板式熱交換器。這可以防止末端水源熱泵機組被井水腐蝕。但是,當選擇和設(shè)計的板熱交換器時,更多的關(guān)注應(yīng)進出水溫差之間的關(guān)系,以保證熱交換可以有效地工作的。
鳴謝:
衷心的感謝北京重點實驗室研究基金會的大力支持。
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