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水源熱泵供暖系統(tǒng)供水溫度的確定

2009-12-28 閱讀:2368
  

引言
  因?yàn)樗礋岜霉┡到y(tǒng)能夠?qū)⑼ǔG闆r下不能被直接利用的低位熱能從水源(如地下水,湖水,海水,城市污水或工業(yè)廢水等等)中取出,提升后并加以利用,具有良好的節(jié)能環(huán)保特性,故近年來在國內(nèi)的研究及應(yīng)用愈來愈多。本文擬針對(duì)利用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖時(shí),其供水溫度的選擇問題進(jìn)行分析討論,以便使該系統(tǒng)的優(yōu)越性得到最大限度的發(fā)揮。

供水溫度對(duì)水源熱泵機(jī)組運(yùn)行的影響
  在冬季供暖工況下,如果水源熱泵低溫?zé)嵩磦?cè)的進(jìn)出口水溫不變,則水源熱泵的供水溫度越高,其制熱性能系數(shù)(COP值)就越低,提供相同的熱量所需的運(yùn)行費(fèi)用就會(huì)越高。以某一廠家HP—4000型機(jī)組為例,通過對(duì)廠家測試數(shù)據(jù)的回歸分析,我們可以得到如下的COP值關(guān)系式:

COP=38.136Δt-0.633(1)

其中,Δt=熱泵機(jī)組采暖用熱水側(cè)水的平均溫度-熱泵機(jī)組低溫水源側(cè)水的平均溫度,即:

Δt=(th,i+th,o)/2-(tc,i+tc,o)/2

th,i——熱泵機(jī)組供暖用熱水的回水溫度,℃;

th,o——熱泵機(jī)組供暖用熱水的供水溫度,℃;

tc,i——熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩磦?cè)的進(jìn)水溫度,℃,這里取10℃;

tc,o——熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩磦?cè)的出水溫度,℃,這里取5℃;

由回歸關(guān)系式(1)可以得到在低溫?zé)嵩磦?cè)水的進(jìn)、出口溫度不變的情況下,不同的采暖供、回水溫度時(shí),水源熱泵機(jī)組的COP值,見表1。

  從表1中看到,當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩磦?cè)水的進(jìn)、出口溫度不變時(shí),熱泵機(jī)組的供水溫度和供、回水溫度的差值對(duì)機(jī)組的COP值都有影響,但供水溫度的影響更大一些,這也說明熱泵供水溫度的選擇更加重要。

表1. 不同采暖供、回水溫度下水源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)(COP值)

供、回水溫度(℃)
 COP值
 COP的變化百分比
 供、回水溫度(℃)
 COP值
 COP的變化百分比
 
60/55
 3.21
 72.5%
 60/50
 3.31
 78.4%
 
55/50
 3.43
 77.4%
 55/45
 3.55
 84.3%
 
50/45
 3.69
 83.3%
 50/40
 3.85
 91.4%
 
45/40
 4.02
 90.7%
 45/35
 4.21
 100%
 
40/35
 4.43
 100%
   

合理的熱泵供水溫度的選擇
  通過上面的計(jì)算與分析可知,利用水源熱泵機(jī)組進(jìn)行冬季供暖時(shí),供水溫度越低,機(jī)組的COP值越大,經(jīng)濟(jì)性越好,但供水溫度也不能過低,否則將導(dǎo)致末端散熱設(shè)備過大或無法滿足散熱設(shè)備對(duì)供水溫度的內(nèi)在要求。顯然,合理的供水溫度應(yīng)該是既能滿足用戶的用熱需求,同時(shí)又有最佳的經(jīng)濟(jì)性。下面將結(jié)合兩種典型的、經(jīng)常與水源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的采暖方式,分別加以討論。

2.1 采用全空氣處理機(jī)進(jìn)行采暖與空調(diào)的建筑

  這里以大連市某一工程為例來討論。大連地區(qū)的建筑物,其夏季的冷負(fù)荷指標(biāo)通常都大于冬季的熱負(fù)荷指標(biāo),本工程也不例外,冷、熱負(fù)荷指標(biāo)分別為150w/m2和100w/m2。由于單位面積的冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷,故在選擇空氣處理機(jī)的時(shí)候,應(yīng)根據(jù)夏季的冷負(fù)荷來進(jìn)行。現(xiàn)以一臺(tái)額定處理風(fēng)量為10000m3/h的空氣處理機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算:

  該機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下的額定制冷量為70kw,我們按150w/m2的冷負(fù)荷指標(biāo)選定一個(gè)該空氣處理機(jī)剛好能夠承擔(dān)的基本空調(diào)單元,其面積為M,則M=70×103/150=467(m2);而該空調(diào)單元上的熱負(fù)荷為Qh=100×467=46.7(kw),當(dāng)該空氣處理機(jī)的處理風(fēng)量為10000m3/h,空氣進(jìn)口溫度為20℃時(shí),其在不同的供、回水溫度下的制熱量見下表2:

表2. 空氣處理機(jī)在不同供、回水溫度下的制熱量

供、回水溫度(℃)
 制熱量(kw)
 制熱量的變化百分比
 供、回水溫度(℃)
 制熱量(kw)
 制熱量的變化百分比
 
60/55
 113.53
 192%
 60/50
 104.79
 161%
 
55/50
 99.97
 169%
 55/45
 91.39
 141%
 
50/45
 86.52
 146%
 50/40
 70.13
 108%
 
45/40
 72.88
 123%
 45/35
 65.0
 100%
 
40/35
 59.21
 100%
   

  根據(jù)表2,即使供水溫度為40℃,空氣處理機(jī)的制熱量也滿足了室內(nèi)熱負(fù)荷(46.7kw)的需要,但是,對(duì)于全空氣系統(tǒng)來講,冬季室外新風(fēng)的熱負(fù)荷也應(yīng)該由空氣處理機(jī)來承擔(dān),對(duì)于一般的舒適性空調(diào)系統(tǒng),新風(fēng)量經(jīng)常占總送風(fēng)量的10~20%,這里應(yīng)按不利的情況來考慮,即新風(fēng)百分比為20%,此時(shí)由新風(fēng)所帶來的熱負(fù)荷(大連地區(qū)冬季空調(diào)室外空氣計(jì)算溫度為-14℃,相對(duì)濕度58%,室內(nèi)空氣溫度取為20℃,相對(duì)濕度60%)為:

Qo=cp·ρ·V·Δt=1.01×1.2×10000×20%×(20+14)/3600=22.9(kw)

  故空氣處理機(jī)實(shí)際應(yīng)承擔(dān)的熱負(fù)荷為Qh+Qo =46.7+22.9=69.6(kw)。從表2中可知,空氣處理機(jī)的供水溫度至少應(yīng)為45℃,另外,通過對(duì)水源熱泵經(jīng)濟(jì)性的模擬分析[1],我們也得出了供水溫度越低,經(jīng)濟(jì)性越好的結(jié)論,但45℃是否就是經(jīng)濟(jì)合理的選擇呢?我們認(rèn)為還應(yīng)校核空氣處理機(jī)的出風(fēng)(或送風(fēng))溫度,即為避免可能出現(xiàn)的冷吹風(fēng)感,送風(fēng)溫度最好還要高于人體的平均皮膚溫度。根據(jù)Rohlesh Nevins的關(guān)于人體平均皮膚溫度tsk的實(shí)驗(yàn)回歸公式[2]:

tsk=35.7-0.0275(M-W)(2)

式中:M—成年男子的代謝率,W/m2;

W—人體所做的機(jī)械功,W/m2。

  根據(jù)該工程的實(shí)際情況,M值按辦公室工作選擇為70 W/m2([3]),此時(shí)人體所做的機(jī)械功近似為0,即W=0,故得到 tsk=33.8℃。下面再來計(jì)算當(dāng)熱泵的供、回水溫度為45/40℃時(shí),室內(nèi)、外的混合空氣經(jīng)空氣處理機(jī)加熱后的送風(fēng)溫度:

  首先根據(jù)空氣處理機(jī)的制熱量Q,算出混合空氣被加熱后的溫升:Δt= Q/(cp·ρ·V)=72.88/(1.01×1.2×10000/3600)=21.6(℃);然后,根據(jù)前面提到的室內(nèi)、外的空氣狀態(tài)參數(shù)(分別為20℃,60%和-14℃,58%)及新風(fēng)百分比20%,在濕空氣的焓-濕圖上查出混合風(fēng)的狀態(tài)點(diǎn)為:tm=13.2℃,φm =76%;最后,我們得到經(jīng)空氣處理機(jī)加熱后的送風(fēng)溫度為ts= tm +Δt= 13.2+21.6=34.8℃> tsk=33.8℃。應(yīng)該指出,我們前面已經(jīng)提到空氣處理機(jī)的制熱量是在空氣進(jìn)口溫度為20℃情況下得到的,而這里實(shí)際的空氣進(jìn)口溫度為13.2℃,故空氣處理機(jī)的實(shí)際制熱量會(huì)略有升高,正好可作為一定的富裕量。

  因此,根據(jù)夏季的冷負(fù)荷而選用的空氣處理機(jī),在冬季當(dāng)供、回水溫度為45/40℃時(shí),仍能夠滿足熱負(fù)荷及送風(fēng)溫度的要求,也就是說,對(duì)于末端設(shè)備采用全空氣處理機(jī)的采暖空調(diào)建筑而言,45/40℃的熱泵供、回水溫度的確是經(jīng)濟(jì)而合理的選擇。

2.2 采用低溫地板輻射采暖的建筑

  對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的建筑來說,供、回水溫度的選擇既要滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的要求,又不能使地表面的溫度過高[4],也就是說在滿足熱負(fù)荷的前提下,供、回水的溫度盡可能的低。因此,我們的主要目的就是選擇一個(gè)能夠滿足熱負(fù)荷要求的最低供水溫度。由于輻射采暖的特性,室內(nèi)空氣溫度可以比采用散熱器等對(duì)流采暖的房間溫度低1~3℃[3],而仍然能達(dá)到相同的舒適度。對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的住宅,室內(nèi)溫度按18℃計(jì)算,同樣可達(dá)到《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50096—1999)規(guī)定的20~22℃的采暖效果。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算與分析,將不同的供、回水溫度在各種管間距下的散熱量整理成表3。

  由于現(xiàn)在住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)必須滿足《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》(JGJ26—95),這樣,住宅的平均采暖熱負(fù)荷指標(biāo)還不到50W/m2,如果按30%來考慮室內(nèi)家具的覆蓋率,則實(shí)際地板散熱指標(biāo)應(yīng)為50/(1-30%)=71.4 W/m2。從表3中看到,供、回水溫度為45/35℃或45/40℃時(shí),只要選取適當(dāng)?shù)墓荛g距,都可以滿足要求,并有一定的裕量。

  當(dāng)采暖建筑為其它公用建筑時(shí),一般的熱負(fù)荷指標(biāo)也都在100 W/m2以內(nèi),而且室內(nèi)溫度也可降至16℃,因而單位地板面積的散熱量也會(huì)增加,具體數(shù)值參見文獻(xiàn)[5],45℃的供水溫度同樣可以滿足要求。

表3. 地板輻射采暖的散熱量

熱水供、回水溫度(℃)
 輻射板散熱量(W/m2)
 管間距(mm)
 輻射板構(gòu)造
 
45-35
 板上
 板下
  由上向下各層:

①木地板面層

δ=20,λ=0.23

水泥砂漿找平層

δ=30,λ=0.93

③埋管層

δ=60,λ=1.51

④保溫層

δ=30,λ=0.034

⑤樓板層

δ=120,λ=1.74

(δ單位:mm;

λ單位:W/(m·℃))
 
100.64
 28.13
 100
 
91.49
 25.57
 150
 
83.97
 21.09
 200
 
76.76
 18.35
 250
 
45-40
 113.00
 30.22
 100
 
102.73
 27.47
 150
 
94.26
 22.81
 200
 
86.21
 19.94
 250
 
50-40
 125.36
 32.30
 100
 
113.96
 29.36
 150
 
104.55
 24.52
 200
 
95.66
 21.53
 250
 
55-45
 150.30
 43.89
 100
 
136.64
 39.90
 150
 
125.23
 27.97
 200
 
108.54
 26.67
 250
 

結(jié)論與建議
3.1 結(jié)論

  通過本文的計(jì)算與分析,可得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)于位于象大連這樣寒冷地區(qū)的建筑,如果采用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年的空調(diào)和采暖,當(dāng)末端設(shè)備采用全空氣處理機(jī)時(shí),冬季時(shí)熱泵的供、回水溫度最好選為45/40℃,以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果;

(2)對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的建筑,熱水供、回水溫度為45/40℃或45/35℃時(shí),一般都可以滿足供暖要求。也就是說,對(duì)于采用水源熱泵機(jī)組供暖的建筑,采暖熱水的供水溫度為45℃時(shí),既能滿足冬季供暖要求,又能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 建議

(1)由于水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能與環(huán)保的特點(diǎn)[1],故對(duì)于附近有低溫水源地區(qū)的建筑,若其全年需要空調(diào)與采暖,建議優(yōu)先考慮水源熱泵系統(tǒng)作為該建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源;

(2)嚴(yán)寒地區(qū),如采用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行采暖與空調(diào),其冬季的供水溫度可參照本文中的方法進(jìn)行校核,選取能夠滿足建筑采暖要求的,并盡可能低的供水溫度作為供暖設(shè)計(jì)供水溫度。

參考文獻(xiàn)

1 Jinyang Zhang, Lin Duanmu, Haiwen Shu, Jinling Zhao. The Analysis about Economics and Energy-saving of Using Sewage-source Heat Pump in Dalian. The 4th International Symposium on HVAC,2003.

2 金招芬,朱穎心. 建筑環(huán)境學(xué). 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001,12

3 陸亞俊,馬最良,鄒平華. 暖通空調(diào). 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002

4 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范. GBJ19-87 (2001年版). 北京:中國計(jì)劃出版社.

5 劉宇,趙先智. 低溫?zé)崴匕遢椛涔┡椛浒迕嫔崃坑?jì)算. 暖通空調(diào)新技術(shù)4. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002,11

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