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小高层建筑地源热泵生活热水系统的应用研究

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Equipment Mamffactring Technology No.9,2010 小高层建筑地源热泵生活 热水 系统的应用研究 梁绍晓’,胡映宁 ,彭伴君 ,林俊 (1.广西科联招标中心,广西南宁530007;2.广西大学机械工程学院,广西南宁530004) 摘要:对小高层建筑的地源热泵生活热水系统进行了分析研究,着重研究了循环介质流量对地源热泵系统运行特性的影响,并对系 统连续运行时的稳定性进行了分析,得出了机组和系统能效比分别能保持在4 j和4.1,通过监测计算出热水的平均耗电量约为1O kW・h/t;最后对电锅炉,空气源热泵和地源热泵3种系统作了经济性分析,得出地源热泵热水系统节能效果明显的结论。 关键词:小高层建筑;地源热泵;生活热水;经济效益 中图分类号:TK5 文献标识码:A 文章编号:1672—545X(2010)09—0034-03 生活热水是每家每户必不可少的生活需求。一般城镇民 建筑,总建筑面积为1.5万m:,可居住用户99户。小区全天 用住宅自己解决生活热水供应,主要采取电热水器、燃气热水 24 h的生活热水全部由土壤源地源热泵系统供给,按每户0.2 器及太阳能热水器的形式。电热水器、燃气热水器的技术已趋 t/d的标准,每天需制热水约20 t。通过采用分散式布局,每栋 于完善,但从能源消耗的角度来看,常规电热水器、燃气热水 建筑设计了一套的地源热泵热水系统,每个系统有两台 器从根本上只是“热水壶的高档化”,高能耗是它们无法克服 热泵机组。机组全部安装在地下车库,这样很好地解决了系统 的缺憾。太阳能热水器近年日益普及,但易受到昼夜、季节、地 运行时产生的噪音问题。土壤换热器采用垂直埋管方式,地下 理位置等自然因素的,以及阴雨天气等随机性气候因素 埋管全部布置在小区四周。3套系统基本一致,本文主要针对 的影响,目前城镇用户率尚不足5%[11。 其中2号小高层建筑的地源热泵热水系统进行了研究分析。 地源热泵(GSHP)是一种利用可再生能源的高效、节能、 1.2生活热水系统 无污染的既可供热又可制冷,同时全年可以提供生活热水的 (1)系统简介。图1为2号小高层建筑地源热泵生活热水 新型空调系统嘲。作为建筑节能和环保的有效手段,地源热泵 系统原理图。该楼为11层的小高层建筑,可居住33户,按每 正逐步得到业界人士的重视。正是由于其具有开源和节能的 户使用5O℃热水0.2 t,d设计,每天需制热水6.6 t。 这种双重效果,而被称为21世纪的“绿色空调技术”。 此热水系统有两台额定功率为4.86 kW的热泵机组,制 文献【3】说明了欧洲住宅领域热泵应用现状,指出欧洲市 冷剂为R22。每台热泵机与一个额定功率为400 W的土壤换 场上用于供热(包括热水供应)的热泵系统,主要是地源热泵 系统,占总供热系统的47.25%;文献[4]提出了我国地源热泵 热器循环泵串联安装。土壤换热器采用单U型垂直埋管方式, 材料为qb25 mm的PPR管,钻井深度为50 m,钻井直径为 发展的特点,指出地源热泵用于北方供热居多,而南方更倾向 使用空气源热泵来供热和空调冷水机组进行制冷;文献 110 mm,总钻井埋管深度为400 m。楼顶有一个6 t的不锈钢 [5]针对夏热冬暖地区富水土壤的特性,研究了广西大学多层 保温水箱,自来水经热泵机组加热后,储存在保温水箱中,全 学生公寓的地源热泵热水系统,指出在地下水丰富的地区,设 天24 h为用户提供生活热水。系统另装有2台额定功率为 备停机2 h后,渗流地下水带来的热量,可以迅速恢复土壤热 400 W的热水回水泵。 能;文献【6】对南方地区利用地源热泵进行高层建筑集中供热 水系统进行了研究,得出热水平均耗电量约为11.2(kW・h)/t。 本文对小高层建筑的地源热泵生活热水系统进行了分析研 究。研究了循环介质流量对地源热泵系统运行特陛的影响;分析 了系统连续运行时的稳定性,同时通过系统的运行情况,分析小 热 高层建筑采用地源热泵系统供应生活热水的可行性和经济性。 水 回 水 1 小高层建筑地源热泵热水系统简介 1.1 工程概况 研究对象为广西南宁市某生活小区3栋11层的小高层 图1 地源热泵热水系统原理图 收稿日期:2010-06—12 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题之专题(2006BAJ01A06—1—1);广西科技成果转化与应用项目(桂科转0815004一l_6);南宁市科技成果 推广项目(200802036A)。 通讯作者简介:胡映宁(196O一),女,广西平南人,教授,从事机械工程及可再生能源的教学与研究。 34 (2)系统设计方案的特点。本系统采用自动控制系统,通 过水箱中浮球高度来控制机组的启停。因管道中的水温降低 速度高于保温水箱,为保证用户随时都可以用到舒适的热水, 系统通过监测回水管的水温,来决定回水加热过程,当同水管 水温低于没定温度时,机组会自动启动来加热回水。 土壤换热器热平衡问题,是没计必须考虑的问题。此系统 需全年向土壤取热,从理论上来说,这样的设计不可取,但在 夏热冬暖且地下水丰富的地区,太阳能辐射和丰富的降m,都 会不断给大地补充大量的热能;土壤换热器设计合理,地下水 流速快,渗流地下水带来的热量又会迅速恢复土壤热能;同时 机组每天的运行时问12~16 h,这样也可使大地温度场有足 够的时间得以有效的恢复。系统使用一年以来,一直稳定高效 的运行,系统能效比>4.0。 2 地埋管地源热泵热水系统的运行特性分析 实验中使用的仪器有:精度为±0.3 oC的TP3001型温度 计;TR1 18型定时器;等级精度为一级的埃美柯牌热水表;胜 利牌DM 6266型胜卡钳式万用表。 2.1 地埋管循环介质的流量对系统运行性能的影响 1 5 一 0 5 一 9 4 8 4 5 羞簌 ;4  3 (1)地埋管循环介质流量对土壤器换热量的影响。图2是 地埋管循环介质的流量,对土壤换热器换热量和冷冻水进出 口温差影响的变化曲线。由图可知,随着循环介质流量的增 大,冷冻水进出口温差明显下降,土壤源换热器的换热量呈上 升的趋势,但变化缓慢。整个实验过程中,冷冻水进出口温差 的变化率为46.7%,而土壤换热器的换热量变变化率为 7.2%,这说明在本实验范围内,循环介质的流量对小型地源 热泵系统的土壤换热器换热量影响不大。当流量为1.61 m /h 时,土壤源换热器的换热量最大,所以,地埋管循环介质的流 量宜取1.61 m /h左右。 卜土壤换热器换热量 环境温度27—34℃ 机组功率4.05 kw 一●一冷冻水进m口温差 自来水流量0.75m3/h 一l5 ●一一 一—k .. 嘲14 ●/, 辏 13 。12 \ 10 \●、 k 8 6 。 _~ ~ 1.U I.Z 1.4 L.6 1.8 2.0 地埋管循环介质的流量(m ) 图2地埋管循环介质的流量对土壤换热器 换热量和冷冻水进出口温差的影响 (2)地埋管循环介质流量对能效比的影响。图3是机组和 系统能效比以及热水温度随循环介质流量的变化曲线。由图 可知,随着循环介质流量的增大,机组和系统能效比变化缓 慢,整体分别保持在4.5和4.1左右。当循环介质流量为1.61 m /h时,机组和系统能效比为最大,分别为4.65和4.24。热 水温度的变化幅值也较小,水温一般稳定在49.5 cC,在循环介 质流量为1.61 m],h时,热水温度达到最高(49.8℃)。通过图 《装备制造技术12010年第9期 3可以看出,对于小型地源热泵系统,由于循环介质的流量总 体较小,其对机组和系统能效比以及热水温度影响不大,奉系 统循环介质的流量,宜选择1.61m ,h左右。 ●一热水温度 自来水温度28'U: ——一系统能效比 譬竺 自来水流量o……一一 .75m3/h 一一一 ~—~ 一 ,一一一 一… 一一一…一 …~ 一—  I, 1.0 1 2 1 4 1.6 1 8 2.0 地埋管循环介质的流量(m3/h) 图3地埋管循环介质的流量对 能效比和热水温度的影响 2.2 系统运行的稳定性分析 图4是机组连续运行10 h机组和系统能效比以及冷冻水 进出口温差的变化曲线。由图可知,系统刚开始运行时,机组 和系统能效比最大,分别达到4.9和4.5,随着系统的运行,机 组和系统的能效比逐渐降低,运行4 h后,系统基本达到稳定, 机组与系统能效比分别保持在4.5和4.1左右;同时冷冻水进 出口温差,也随着系统的运行逐渐降低,系统刚开始运行时温 差为7.1℃,运行4 h后,温差降到6.1℃,继续运行时,温差 一直保持在6℃左右。 根据图4,由于土壤的热惰性,土壤换热器在系统刚开始 运行时,换热性能波动较大,且呈下降趋势,运行一段时间后, 系统达到稳定,稳定后机组与系统能效比分别保持在4.5和 4.1,冷冻水进出口稳定保持在6℃左右,表明土壤换热器的换 热效果比较好且稳定。 +冷冻水进出口温差 一●。一机组能效比 十系统能效比 环境温度23—30℃ 楚 赠 : \~^一, 5 : ~一. 一一一 丑4 ‘、★~-——-——h・★一 — 1. 4 3 O 2 4 6 8 lO 运行时间(h) 围4 连续运行1Oh地源热泵系统的机组和 系统能效比以及冷冻水温差的变化情况 2.3 每吨热水耗电情况分析 表1是用户人住率为5O%时,加热自来水和加热回水的 耗电情况。单独加热自来水时,热水平均耗电量为6.9 kW・h/ t,而热水实际平均耗电量为1O.1 kW・h,t,这主要是回水加热 耗电量,占到总耗电量的32%,这比例有点偏高。造成比例偏 高的主要原因,是现在用户入住率较低,每天水箱中的水无法 用完,从而造成保温水箱中热水白白冷掉后,只能流回机组重 新加热。可以预测,随着用户人住率的增大,回水加热耗电量 35 Equipment Manufactring Technology No.92010 ,的比例会降低,每吨热水的耗电量也将减少,从而更进一步体 现地源热泵的节能优势。表2是借鉴已有的相似系统,对入户 0.85 x 24 331 x 10 =6.26(万元)。 表4为3种方案的经济效益情况。由表知,地源热泵热水 系统比电锅炉和空气源热水系统每年节约费用分别为72.4% 和32.3%,显然地源热泵热水系统是最节能的。地源热泵对比 率达到100%时热水平均耗电量的预测。 表1 源热泵系统的耗电情况 2010年4月27日一5月6 El检测情况平均值 (共33户,人住率50%) 空气源热泵的节能效果不是很明显,但是空气源热泵的运行 性能受地理位置、昼夜、天气变化等因素的影响较大,很难满 足全年全天供热水的要求,而地源热泵一般不受这些因素的 影响,这更加体现出地源热泵系统的节能效果。 加热回水耗电量占总制热水量比例 3.8×10÷f3 8×10+3 0×26.8l=O 32 表4 经济效益分析 (kW・h/t) 每天总耗电置 (kW・h/d) 热水总耗电 (kW・h h) 圊水加热水耗电量 加热自来水耗电黄 (kW・h/d) 方案 f每年运行费用(万元)l平均每户年运行费用(元)『 星豢雾 蓥水 30.3 3 3÷3=】0.】 30.3x032=9.6 3n3× 68÷3=6.9 表2 入住率为1oo%时每吨热水平均耗电量预测 每吨热水平均耗电量预测 (共33户.人住率100%) 机组产热水量 产热水温升 机组加热回水量 加热回水温升 (t/d) (℃) (t/d) (℃) 6.6 26.8 6.O 10 加热回水耗电量占总制热水量比例 6.0×10÷(6.0×10+6.6×26.8)=0 25 加热自来水耗电量 热水总耗电量 (kw・h,t) (kW・h/t) 69 6.9÷(1--0 25)=9.2 3 地源热泵热水系统经济效益分析 按用户人住率达到100%时,需要热水20 t/d的标准,对 电热锅炉、空气源热泵和地源热泵3种方案的年耗电量和运 行费用,进行如下比较: (1)电锅炉年运行费用。每年按365 d计算,由表3的参 数计算。 电锅炉制热水年耗电量为 (4.18×20 X 1000 X 30×365)/(3600×0.95)=267667(kW・h) 表3 电热锅路计算参数值 水的比热 4.18kJ/(kg・℃) 电价 0.85元/(kW・h) 平均热水温升 3O℃(即5O℃热水) 电热值 3600kJ,(kW・h) 电热锅炉热效率 95% 电锅炉的年运行费用为 0.85×267 667×10 =22.8(万元)。 (2)空气源热泵年运行费用。查相关资料,在夏热冬暖地 区,空气源热泵制热水平均热水耗电量约15 kW・h,t,则年需 电费用为 0.85×15×20×365×10-4=9.3(万元) (3)地源热泵年运行费用。按平均热水耗电量为10.1 kW・h,t计算,则地源热泵制热水年耗电量为 10.1×20×365=73 730(kW・h) 地源热泵的年运行费用为 36 I电热锅炉 22 8 2 303 方案Ⅲ Ⅱ空气源热泵 9.3 比方案l节约16 5万 939 元(节约率72.4%) Ⅲ地源热泵 6.3 636 比方案Ⅱ节约3万 元(节约率32.3%)。 地源热泵热水系统对比电锅炉热水系统的年节电量为 267 667—73 730=193 937(kW・h) 对比常规系统年节电量193 937 kW・h,折算节约标准煤 67.8 t,减少CO2排放176.3 t,减少SO:排放1.0 t,这表明地源 热泵系统在减少温室气体和污染气体排放方面,有显著效果。 4结束语 (1)小高层建筑地源热泵生活热水系统每吨热水的耗电 量(包括回水加热耗电量)为10.1 kW・h左右,每户年平均费 用为636元,比电锅炉和空气源热泵制热水系统分别节约 74I4%和32.3%,节能效果显著。 (2)亚热带富水地区采用土壤源地源热泵系统制热水时 机组和系统能效比分别为4.5和4.1,有较好的换热性能。 (3)对于小型地源热泵系统,随着地埋管循环介质流量 的增大,冷冻水进出口温差明显变小,而土壤换热器的换热 量、机组与系统能效比以及热水温度的变化幅值却很小,为保 证较高的换热量和系统能效比,对本研究系统循环介质的流 量可取1.61 m3/h左右。 参考文献: 【1】罗海清,汤广发,龚光彩,等.建筑热水节能中的热泵技术[J】.给水 排水,2007,(s2):98—101. [2】姚杨,马最良,姜益强.暖通空调热泵技术【M】.北京:中国建筑工 业出版社,2008. 【3]杨自强,赵琰.欧洲住宅领域热泵应用现状【J].暖通空调,2005,2 (35):31-34. 【4】Wei Yang,Jin Zhou,Wei Xu,Gaoqiang Zhang.Current status of ground-sourece heat pump in China咖.Energy Po—licy,2010,38(1): 323—332. 【5】胡映宁,林俊,尹向明.富水土壤地区土壤换热器性能的实验研究 [J】.太阳能学报,2009,300):5—11. [6】王艳.地源热泵应用于高层建筑集中供热水系统的研究以及经济 性分析【DJ.南宁:广西大学,2010. (下转第40页) Equipment Manufactring Technology No.92010 ,4 结束语 总而言之,信号完整性是一个无处不在的问题,因此在系 不仅可能发生在实验室,也可能发生在用户购买的产品中。 参考文献: 统和单板设计时,布局设计师必须与电气工程师展开紧密合 作,以解决SI问题。对于工程师来说,关键在于如何知道每种 [1]江思敏.PCB和电磁兼容设计【M].北京:机械工业出版社,2008. 【2]曾繁泰.EDA工程实践[MJ.北京:清华大学出版社,2004. [3J区健昌,吕英华.电子设备的电磁兼容性设计【MJ.北京:电子工业 出版社,2004. [4】Itoh,T.Planar Transmission Line Structure….Piscataway,NJ:IEEE Press,1987. 情况下应采用何种SI问题解决方法。利用仿真工具可以更容 易地识别SI问题,找到SI问题之后,就可以采用正确的端接 策略和布局约束机制解决这些sI问题。如果sI问题在设计的 初期得到解决,就可以节省大量时间和降低设计成本,进而降 【5】吕英华.计算电磁学的数值方法【M】.北京:清华大学出版社,2006. 低产品成本。SI问题会造成系统不稳定或发生故障,这些故障 Research on Signal Integrity In Multilayer PCB Design GAO Rong-bng (Zhongnan ATMB of Civil Avitaion,Guangzhou 510000,China) Abstract:On the basis of systematically introducing academic and practical knowledge ssociaated with PCB design,various reasons resulitng in SI problems will be analyzed in this thesis.and relevant system model and designing methods for SI in Muhilayer PCB design will also be presented. Key words:integrate circuit;PCB;SI problems;system model (上接第36页) The Application Research on Domestic Hot-Water System of G round Source Heat Hump Used in Small High-Rise Building LIANG Shao—xiao ,HU Ying-ningz,PENG Ban-jun ,LIN Jun (1.Center f oKelin aInvite Bids,Nanning 530007,China;2.Mechanical Engineering CoUege,Guangxi University,Nanning 530004,China) Abstract:The author analyzed and researched the domestic hot—water system of ground source heat pump(GSHP)in small hi h—rgise building;The influence on cycle medium flow to the operating characteristics of ground source heat pump system were researched,Through the stability analysis for the continuous operations system,the result indicatd thate the COP of unit and system could respectively remain 4.5 nd 4.1;aBy monitoring the mount of power consumption of hot-water everyday,it shows that the average power consumption per hot—water is about 10 KWH;At last,the economic analysis among the system of electric boiler、air source heat pump and GSHP were made,which shows GSHP system has the best energy-saving effect and also possesses the role f oenvironmental protection. Key words:smg]l high-rise buildings;ground source heat pump;domestic hot—water;economic benefit 

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