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一种新型复合地源热泵系统年度经济分析

时间:2012-08-20 19:58来源:未知 作者:冲锋 点击:
湖南大学 李季勋 陈友明☆ 摘 要:我国南方地区商业、办公建筑由于冷热负荷差值较大,导致其传统地源热泵系统运行效率较低。本文对长沙地区湘江河畔一栋办公大楼,选用新型的水

湖南大学 李季勋 陈友明☆
摘 要:我国南方地区商业、办公建筑由于冷热负荷差值较大,导致其传统地源热泵系统运行效率较低。本文对长沙地区湘江河畔一栋办公大楼,选用新型的水源辅助散热的复合地源热泵系统与传统地源热泵系统分别进行年度能耗编程计算并进行对比分析,结果显示系统年度的运行能耗最多节省3344 kW•h,占系统年度运行费的8.22%,且复合系统的运行效率在采用流入机组水温作为控制参数时达到最高。
关键词:复合地源热泵 辅助散热 性能模拟 年度能耗
能源与环境问题是当代世界各国面临的重大社会问题。在中国,煤作为主要能源,长期以来在生产、消费中占据着绝对主导地位。而煤又是各种能源中污染环境最严重的能源,所以只有减少煤的使用,环境问题才可能得到解决。因此,作为能耗大户的中央空调的使用将逐步受到制约。而从节省能源、降低运行费用、减少CO2排放量来看,地源热泵系统(Ground Source Heat Pump system简称GSHPs)技术是一个很好的选择。
1 水源辅助散热的复合地源热泵系统
我国南方以夏季空调为主的地区建筑,尤其是商业和办公建筑,其负荷特征如下表所示[1]:
表1部分地区办公楼和商场建筑冷热负荷比
地区 冷负荷指标(w/m2) 热负荷指标(w/m2) 冷热负荷比
办公 商场 办公 商场 办公 商场
上海 186~232 291~326 116~163 116~151 1.49 2.31
广州 163~209 267~290 93~116 70~93 1.78 3.42
从表1可看出,我国南方的商业和办公建筑夏季冷负荷和冬季热负荷比值较大,所以会导致地下热量排放和吸收的不平衡率逐年增大。因此采用传统的GSHPs势必会引起机组运行效率低的问题。为解决这个问题,国内外的专家和学者提出了复合地源热泵系统(Hybrid Ground Source Heat Pump system,简称HyGSHPs)的新型系统形式[4]。
HyGSHPs是一种带辅助散热的新型热泵系统。因为它可以通过辅助散热系统将多余的热量排至大气,这可以避免由于冷热负荷的差值较大,导致土壤温度升高,机组运行效率降低的情况出现。所以国内近几十年来HyGSHPs的研究和应用取得飞快的发展。但是在选择辅助散热系统设备时,一般主要选择使用起来较方便的冷却塔系统。其实HyGSHP的辅助散热设备除了可以使用冷却塔之外,还可以使用池塘或江水的等水源,且其主要有以下几个优点:
(1)而水源辅助散热系统因为水源比热、热惰性较大,所以受外界空气温湿度影响较小;
(2)冷却塔冷却时容易产生飘水、噪音等问题,且在一定程度上破坏了商业大夏立面的建筑外观;
(3)商业建筑一般位于市中心,如果排放的热量全部集中于屋顶的冷却塔排放可能会加剧城市的热岛效应,且需要占用屋顶场地。而水源的排放热量最终一般随着流动的河流排至大气,因此在一定程度上可以缓解城市中心的热岛效应;
当然,水源的辅助散热系统相比冷却塔而言也有以下几点局限:
(1)采用这种系统的建筑物附近须有充足的水源。
(2)由于江水和池塘的辅助散热水源一般采用的江水或者池塘的水,因此水质较差,引用前需增加净化或过滤处理措施,且要定期清洗或更换。
其系统形式简图如图1:

图1 水源辅助冷却HyGSHPs系统简图
而本文为对使用水源辅助散热的HyGSHPs进行了研究。在长沙湘江河畔建立了一栋办公楼的建筑模型,并用软件对其进行年度的逐时负荷计算。以HyGSHPs和传统GSHPs作为此建筑模型中央空调系统,并通过编程计算对此空调系统的年度能耗和费用进行分析。
2 建筑模型的建立
本文的建筑模型选址在我国典型的南方冬暖夏热的城市——长沙。本建筑坐落在长沙市内湘江河畔,共五层,长30m,宽15m,建筑面积2250m2,空调面积1900m2。其轴测图如下图2所示:

图2 建筑模型立面图 图3 建筑模型年度空调时间逐时负荷
采用能耗模拟软件进行建筑的逐时负荷模拟,且考虑到办公建筑在春秋季以及下班时,空调系统不运行,则其空调季节的负荷结果如图3所示。此建筑模型夏季最大冷负荷为200kW,冬季最大热负荷为135 kW,全年散热和吸热比为:1.89﹕1。
3 HyGSHPs模型的建立
3.1 地埋管换热器模型的建立
本研究采用工程上常用的竖直、单U型的埋管换热器结构,钻孔深度90m。采用HyGSHPs和传统GSHPs时,分别根据最大热负荷135kW和最大冷负荷200kW ,按约40W/m的换热器换热率计算,分别布置18和27个钻孔,钻孔采用3×6和3×9的排布方式。水管管材采用工程上常用的聚乙烯(PE3408)管,其导热系数为0.42 W/(m℃)。 (责任编辑:冲锋)

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