張曉明,李通禹,陳柏龍
(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.哈電(大連)電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,遼寧 大連 116000)
近年來空氣源熱泵作為新型的節(jié)能環(huán)保設(shè)備,在我國制冷空調(diào)領(lǐng)域備受關(guān)注??諝庠礋岜酶咝Ч?jié)能、環(huán)保無污染,只需用空氣作為高(低)溫?zé)嵩淳涂梢詫?shí)現(xiàn)夏天制冷冬天制熱,是一個(gè)前景非常好的環(huán)保產(chǎn)品。但是,在嚴(yán)寒地區(qū)低溫環(huán)境下空氣源熱泵的運(yùn)行有一定的局限性,尤其是在我國北方冬季,室外環(huán)境溫度通??梢赃_(dá)到零下30 ℃左右,空氣源熱泵在這個(gè)環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)因蒸發(fā)器表面結(jié)霜影響換熱以及除霜帶來的機(jī)組制熱性能系數(shù)下降,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組無法進(jìn)行熱交換乃至正常的運(yùn)行。另外,因?yàn)闊嶝?fù)荷大,需要供暖的熱水溫度高導(dǎo)致升壓比增大、排氣溫度過高,致使機(jī)組制熱性能系數(shù)下降[1-2]。自20世紀(jì)80年代,當(dāng)發(fā)現(xiàn)土壤作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源更加優(yōu)于周圍環(huán)境的空氣時(shí),在各地土壤資源允許的情況下,土壤源熱泵在我國的應(yīng)用面積迅速增加,特別是用于北方地區(qū)建筑的供暖[3-4]。但土壤源熱泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)也存在一定的問題。由于地埋管換熱器受土壤熱物性質(zhì)影響較大,長期連續(xù)運(yùn)行時(shí),熱泵機(jī)組的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化影響而發(fā)生較大的波動(dòng)。部分地區(qū)建筑的冷、熱負(fù)荷相差較大會(huì)直接導(dǎo)致埋管熱交換器一年四季從土壤中的總吸熱量與總釋熱量不一致,從而影響土壤中的熱平衡。筆者利用空氣源熱泵和土壤源熱泵各自運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)新的空氣-土壤雙熱源熱泵系統(tǒng),使其能在各自高效率期間內(nèi)正常運(yùn)行,以達(dá)到更加節(jié)能的效果。
根據(jù)不同室外溫度下空氣源熱泵和土壤源熱泵的運(yùn)行特點(diǎn),以及各自運(yùn)行的高效率區(qū)間,筆者設(shè)計(jì)了空氣-土壤雙熱源熱泵系統(tǒng)(見圖1)??諝?土壤雙熱源熱泵系統(tǒng)是由單獨(dú)的空氣源熱泵系統(tǒng)和單獨(dú)的土壤源熱泵系統(tǒng)組成,通過溫控閥門設(shè)置,來相互切換運(yùn)行。通過減少土壤源熱泵從土壤中的取熱來維持土壤熱平衡,但又為了滿足建筑物所需能耗,所以使用空氣源熱泵來分擔(dān)部分建筑能耗,這部分能耗即為空氣源熱泵需向建筑物的補(bǔ)熱。
A.地埋管換熱器 ;B.土壤側(cè)集水器 ;C.土壤側(cè)分水器 ;D.土壤側(cè)水泵;E.用戶側(cè)集水器 ;F.用戶側(cè)分水器 ;G.用戶側(cè)水泵;H.土壤源熱泵壓縮機(jī);I.土壤源熱泵冷凝器/蒸發(fā)器; J.土壤源熱泵節(jié)流裝置;K.四通換向閥 ;L.補(bǔ)水箱; M.補(bǔ)水泵;N.空氣源熱泵壓縮機(jī);O.空氣源熱泵冷凝器/蒸發(fā)器;P.空氣源熱泵節(jié)流裝置;Q.四通換向閥。
從圖1可知,該系統(tǒng)主要分為空氣源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)兩部分。整個(gè)系統(tǒng)是通過溫控閥門1、2來控制兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),開啟閥門1,關(guān)閉閥門2;當(dāng)空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開啟閥門2,關(guān)閉閥門1。該系統(tǒng)可在冬、夏兩季來進(jìn)行空調(diào)供暖,冬、夏季工況的轉(zhuǎn)換通過各自的四通換向閥來實(shí)現(xiàn)。筆者通過優(yōu)化該系統(tǒng)運(yùn)行,可消除土壤熱失衡現(xiàn)象以及解決空氣源熱泵低溫環(huán)境效率低下等問題,從而達(dá)到實(shí)際的節(jié)能效果。
以沈陽地區(qū)的某辦公建筑為例,該辦公建筑共5層,每層層高為4 m,總建筑空調(diào)面積為5 040 m2。根據(jù)DEST軟件模擬出典型年沈陽市全年室外逐時(shí)干球溫度(見圖2)以及沈陽市全年最冷月溫度分布曲線圖(見圖3)。由圖2、圖3可知,沈陽地區(qū)全年最冷月份出現(xiàn)在1月份,其中日最高氣溫為4.31 ℃,日最低氣溫為-23.4 ℃。
圖2 沈陽市全年溫度分布Fig.2 Annual temperature curve of Shenyang
圖3 沈陽市全年最冷月1月份溫度分布Fig.3 Temperature distribution of the coldest month in Shenyang in January
沈陽地區(qū)供暖時(shí)間為11月1日至次年的3月31日,共151 d,且要求供暖期室內(nèi)溫度達(dá)18 ℃[5],建筑物全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷如圖4所示。
圖4 建筑物全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷分布Fig.4 Hourly cooling and heating load distribution of buildings throughout the year
根據(jù)DEST軟件對(duì)該建筑物能耗模擬結(jié)果可知,該建筑的全年累計(jì)熱負(fù)荷約為870 128.09 kW·h,累計(jì)冷負(fù)荷約為402 015.70 kW·h。累計(jì)熱負(fù)荷比累計(jì)冷負(fù)荷要大,則可知供暖季的熱量要遠(yuǎn)大于供冷季的冷量。建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 全年累計(jì)建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)Table 1 Annual cumulative building load statistics
根據(jù)建筑能耗模擬結(jié)果,建筑的熱負(fù)荷峰值為826.41 kW,冷負(fù)荷的峰值為924.11 kW。根據(jù)全年最大冷、熱負(fù)荷,土壤源熱泵系統(tǒng)的熱泵機(jī)組選為HSBLR-D840水源熱泵雙螺桿壓縮機(jī)機(jī)組[6],依據(jù)壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)可求出機(jī)組的制冷能效比(EER)為5.02,制熱能效比(COP)為3.99。
以土壤熱平衡為計(jì)算依據(jù),可根據(jù)建筑物全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷及土壤源熱泵機(jī)組的能效比計(jì)算土壤源熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)從土壤側(cè)的吸熱量和放熱量[7-8]:
(1)
(2)
式中:Q1為土壤放熱量,GJ;Q2為土壤吸熱量,GJ。
根據(jù)式(1)和式(2)可計(jì)算出只有土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),夏季向土壤中的放熱量為1 735.41 GJ,冬季從土壤中的吸熱量為2 341.79 GJ。從土壤中的吸熱量要遠(yuǎn)大于向土壤中的放熱量,差值為606.38 GJ,即單獨(dú)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)從土壤中的提取的熱量要比向土壤中釋放的熱量多出606.38 GJ。要保證模擬建筑物中所需能耗不變即保證正常的供暖空調(diào),筆者采用減少從土壤中取熱的方法,用空氣源熱泵系統(tǒng)來補(bǔ)熱,分擔(dān)一部分建筑能耗,從而維持土壤熱平衡。
通過建立空氣源熱泵系統(tǒng)中各部分的數(shù)學(xué)模型,由MATLAB軟件計(jì)算得出空氣源熱泵在不同室外溫度下的性能參數(shù),最終來完成空氣源熱泵系統(tǒng)的模擬運(yùn)行,制冷劑采用R22。模擬室外環(huán)境溫度取為-15~10 ℃,機(jī)組進(jìn)、出水的溫度為40~45 ℃,蒸發(fā)溫度通常比室外環(huán)境溫度低8~10 ℃,冷凝溫度比進(jìn)、出口水溫高4~7 ℃,平均傳熱溫差為15~17 ℃[9-10]。室外空氣溫度對(duì)排氣溫度、COP值的影響模擬如圖5所示。
圖5 室外空氣溫度對(duì)排氣溫度、COP值的影響Fig.5 The influence of outdoor air temperature on exhaust temperature and COP value
通過圖5模擬結(jié)果可知,空氣源熱泵的COP與室外空氣溫度成正比,即室外溫度越高空氣源熱泵系統(tǒng)的COP值也越高;壓縮機(jī)的排氣溫度與室外空氣溫度成反比;即隨著室外空氣溫度的升高,壓縮機(jī)的排氣溫度逐漸減小。由于R22制冷劑的壓縮機(jī)排氣溫度界限值為130 ℃[11],在室外溫度為-14 ℃時(shí),排氣溫度為131.52 ℃,因此,為了使空氣源熱泵系統(tǒng)達(dá)到理想的工作狀態(tài),理論上室外溫度應(yīng)控制在-13 ℃以上。
為保證土壤熱平衡則需要從土壤中的吸熱量減少606.38 GJ。而根據(jù)式(2)的逆向應(yīng)用可知減少的606.38 GJ熱量可向模擬建筑提供808.51 GJ的熱量。為保證建筑物所需能耗不變,則需要空氣源熱泵向建筑物提供808.51 GJ的熱量,而這部分熱量即為空氣源熱泵的補(bǔ)熱量。但在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中,土壤熱量有一定的自身恢復(fù)能力,土壤的熱不平衡率應(yīng)控制在20%以下[12-13],即為合理運(yùn)行。結(jié)合土壤自身的熱量恢復(fù)能力,筆者采取控制熱不平率在10%左右,來確定空氣源熱泵的補(bǔ)熱量。以模擬建筑物冬季運(yùn)行工況為例,最終確定空氣源熱泵的補(bǔ)熱的熱量為727.66 GJ。
確定室外最佳溫度結(jié)合點(diǎn)需考慮空氣源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)熱量是否滿足室外某一溫度范圍內(nèi)的建筑累計(jì)熱負(fù)荷以及在最佳溫度結(jié)合點(diǎn)時(shí)空氣源熱泵是否正常運(yùn)行。根據(jù)DEST氣象參數(shù)的模擬結(jié)果,統(tǒng)計(jì)冬季工況室外不同室外溫度出現(xiàn)的時(shí)間,計(jì)算冬季室外不同溫度下的建筑累計(jì)熱負(fù)荷(見表2)[14-17]。
表2 冬季室外不同溫度下的累計(jì)建筑熱負(fù)荷Table 2 Cumulative building heat load at different outdoor temperatures in winter
(3)
式中:Q為建筑熱負(fù)荷,W;ta為室外空氣溫度,℃;t0為冬季供暖室外計(jì)算干球溫度,沈陽地區(qū)取為-16.9 ℃;qf為單位面積建筑熱指標(biāo),w/m2;A為建筑面積,m2。
根據(jù)式(1)、式(2)及式(3)可知空氣源熱泵若要分擔(dān)一部分建筑能耗,即需要向建筑物補(bǔ)熱的熱量為202 143.95 kW·h,由表2計(jì)算建筑熱負(fù)荷結(jié)果可知,室外溫度在-8 ℃以上時(shí),累計(jì)熱負(fù)荷為195 424.15 kW·h。在考慮土壤自身熱恢復(fù)能力的前提下,說明在室外溫度-8 ℃以上時(shí),空氣源熱泵向建筑物提供的熱量可以滿足建筑物所需負(fù)荷要求。已知空氣源熱泵壓縮機(jī)排氣溫度應(yīng)控制在130 ℃以下,空氣源熱泵在室外溫度-8 ℃運(yùn)行時(shí)符合排氣溫度要求,即空氣源熱泵在這個(gè)溫度條件下可以正常安全運(yùn)行。所以依據(jù)土壤熱平衡,最終確定空氣-土壤雙熱源熱泵系統(tǒng)在所模擬的辦公建筑中切換使用的室外最佳溫度結(jié)合點(diǎn)為-8 ℃。
(1)根據(jù)土壤熱平衡求出土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的吸熱量和釋熱量的差值;求出空氣源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)熱;根據(jù)冬季室外不同溫度下的建筑累計(jì)熱負(fù)荷,統(tǒng)計(jì)出在室外一定溫度范圍內(nèi)空氣源熱泵的補(bǔ)熱可滿足建筑所需能耗,該溫度范圍內(nèi)的界限值即為室外最佳溫度切換點(diǎn)。
(2)沈陽地區(qū)模擬的辦公建筑使用空氣-土壤雙熱源熱泵系統(tǒng)的室外最佳溫度切換點(diǎn)為-8 ℃。
(3)空氣-土壤雙熱源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行高效節(jié)能,有效地緩解了嚴(yán)寒地區(qū)土壤的熱失衡,一定程度上解決了空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)效率低下的問題。