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畢業(yè)設計（論文）學生自查表
（中期教學檢查用）
學生姓名
專業(yè)
熱能與動力工程
班級
指導教師姓 名
課題名稱
采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調系統(tǒng)設計
個人作息時 間
上午
自8:00時
至12:00時
下午
自14:30時
至17:30時
晚上
自19:30時
至21:30時
工作地點
上午
圖書館
下午
機房
晚上
宿舍
個人精力實際投入
日平均工作時數(shù)
8
周平均工作時數(shù)
56
迄今缺席天數(shù)
0
出勤
率%
100%
指導教師每周指導次數(shù)
2
每周指導
時間（小時）
4
備注
周一、周五下午3:30
畢業(yè)設計（論文）工作進度
已完成的主要內容
%
待完成的主要內容
%
1.外文文獻翻譯
2.文獻綜述
3.開題報告
4.總體設計方案確定
5. 設計計算（熱力循環(huán)計算、壓縮機選型、冷凝器設計計算、隔熱計算、冰盤管蒸發(fā)器設計計算）
50
1. 節(jié)流裝置選擇集其他零部件的選擇
2. 圖紙設計
3. 整理設計說明書
50
存在問題
1.冷凝器設計部分有待優(yōu)化
2.連接管路部分有待調整
指導教師簽名： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）任務書
題目 采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調系統(tǒng)設計
專業(yè) 學號 姓名
一、原始資料及技術條件
1. 工質 R407C
2. 氣候環(huán)境類型： N(空氣干球溫度32℃、空氣露點溫度28.2℃)
3. 制冰工況，蒸發(fā)溫度：-10℃，冷凝溫度29.8℃，蓄冰槽放置室內，
4. 采用外融冰向室內供冷，采用雙膨脹閥雙冰盤管的方式，風機盤管室內機。
5. 地埋管換熱器進水溫度：35℃；循環(huán)水回水溫度16℃；
6. 使用負荷：民用住宅， 峰值制冷功率6KW
7. 使用環(huán)境相對濕度：≤85％
8. 電源： 380V 50Hz AC
9. 采用全負荷蓄冷，可為住宅提供4個小時的冷量。
10.采用管殼式冷凝器。
二、主要內容
1.設計計算：循環(huán)計算、隔熱計算、冷凝器設計計算、冰盤管蒸發(fā)器設計計算。
2. 零部件選擇：選擇壓縮機和其他零部件選擇。
3. 設計圖樣：系統(tǒng)流程圖、冷凝器部裝圖、蒸發(fā)器部裝圖、蓄冰槽部裝圖、其他零部件圖。
三、基本要求
1. 認真進行實習(調研)、完成實習(調研)報告。
2. 閱讀文獻寫出文獻綜述。
3. 按統(tǒng)一格式完成開題報告。
4. 閱讀英文文獻，并譯成中文(不少于5000漢字)。
5. 設計計算至少有兩部分為上機計算。
6. 規(guī)范繪制圖樣，上機繪圖不少于二張裝配圖、一張零件圖。
7. 英中文對照摘要，中文不少于400 字。
8. 按統(tǒng)一格式編制設計說明書，不少于 30000字。
9. 有全部設計的紙介質文檔和電子文檔。
四、 完 成 期 限：2014年6月7日
指導教師簽章：
專業(yè)負責人簽章：
開題報告表
課題名稱
采用冰盤管的地熱泵空調系統(tǒng)設計
課題來源
自選
課題類型
AX
導 師
學生姓名
學 號
專 業(yè)
開題報告內容：搜集與課題設計相關的資料；根據(jù)相關資料，確定課題設計的思路，各部件的設計或選型；安排階段性任務及完成時間；準備課題設計所需要的外在因素；
1.搜集資料：
根據(jù)課題設計題目，利用網(wǎng)絡查找相關的資料，在圖書館借閱相關書籍產生疑難問題咨詢老師，這些使我正確理解設計理念，抓住重點，不做無用之功。
2.設計目的與要求：
根據(jù)畢業(yè)設計任務書的要求，在老師的輔助指導下，結合本專業(yè)所學的知識，設計一個采用冰盤管蓄冷的水源熱泵空調系統(tǒng)。通過全面、系統(tǒng)、嚴格的技術及基本能力的練習，從而充分地了解和熟悉采用冰盤管地熱泵機組的性能及設計過程。掌握課題設計的主要關鍵點，熟悉本專業(yè)相應的知識點，爭取順利完成畢業(yè)設計。
3.設計的思路：
結合自己所學的專業(yè)課，全面分析，綜合考慮，采取相應的設計方案，爭取采用最優(yōu)的方案。
a.設計計算：循環(huán)計算、隔熱計算、冷凝器設計計算、冰盤管蒸發(fā)器設計計算。
b.零部件選擇：選擇壓縮機和其他零部件選擇。
c.設計圖樣：系統(tǒng)流程圖、冷凝器部裝圖、蒸發(fā)器部裝圖、蓄冰槽部裝圖、其他零部件圖。
4.安排階段性任務及時間安排：
1-3周 查找資料，外文翻譯，開題報告表，文獻綜述；
4-7周 了解課題設計的目的及要求，擬定方案，進行各部件的選型與設計計算；
8-11周 根據(jù)選型及設計畫各部件圖及總裝圖；
11-13周 設計軟件流程，編寫程序；
13-16周 撰寫設計說明書，準備答辯。
5.完成論文所具備的外在因素：
(1）相應的參考書；
(2）指導老師；
(3）電腦。
指導教師簽名： 日期： 年 月 日
文獻綜述
題 目采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調系統(tǒng)設計
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
院 （系）
指導教師(職稱)
完成時間
采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調系統(tǒng)設計
摘要：冰蓄冷和水源熱泵是兩種截然不同的技術，兩種技術如能結合在一起，將帶來更大的節(jié)能效益。本文分析了目前國內外地源熱泵與冰蓄冷空調系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、技術優(yōu)點及存的問題。進而論述了兩者聯(lián)合運行的必要性，好處及新的趨勢。
關鍵詞：冰蓄冷空調系統(tǒng) 水源熱泵 節(jié)能
1.水源熱泵技術發(fā)展與應用
1.1 國外水源熱泵發(fā)展特點
在國外,水源熱泵系統(tǒng)又習慣稱作閉式環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)。60 年代開始在美國提出以后 ,經(jīng)過30年不斷改進和發(fā)展,技術日趨成熟,其產品已逐漸商品化,至今已經(jīng)在北美建筑中應用了40多年到目前為止已安裝了400 , 000多臺,而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調總保有量的19%,其中新建筑中30%。 美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了美國地源熱泵協(xié)會,該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2010年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標,其中,水源熱泵占15 % ,屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸,相當于減少50 萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝,年節(jié)約能源費用達4.2億美元,此后,每年節(jié)約能源費用再增加1.7億美元。美國的水源熱泵的研究和應用更偏重用于住宅和商業(yè)小型系統(tǒng)(20RT 以下),多采用水-空氣系統(tǒng)。 在大型建筑方面,美國推行 WLHP 系統(tǒng),即水環(huán)熱泵系統(tǒng)。與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同,中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源 ,地下土壤埋盤管(埋深<400 米深)的地源熱泵,用于室內地板輻射供及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計,為家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例,瑞士96%,奧地利為38% ,丹麥為27%。同時,中、北歐海水源熱泵的研究和應用也比較多。日本在進70年代后水源熱泵的應用和推廣走在了世界的前頭。東芝、三菱電機、PMAC 公司均有水源熱泵產品出售,東京、名古屋、橫濱等城市在 70年代初就有很多采用閉式環(huán)路水源熱泵空調系統(tǒng)的工程實例，例如新日建大廈、名古屋大廈平和東京大廈等。
1.2 國內水源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀
中國最早在50年代,就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究,1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。目前,國內的清華大學、天津大學、重慶建筑大學、天津商學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學在多工況水源熱泵經(jīng)過多年的研究已形成產業(yè)化的成果 ,已建成數(shù)個示范工程。國內的水源熱泵制造廠商中,清華同方人工環(huán)境設備公司、山東海陽富爾達是比較早的水源熱泵制造廠家,但目前也有相當多的制冷空調廠家將其普通的水冷機組改造為水源熱泵。自80年代以來,我國采用水源熱泵空調系統(tǒng)的建筑也逐年增多。目前,在深圳,上海,北京以及一些中小城市均有工程實例,例如北京天安大廈、西安建國飯店、青島華僑飯店、深圳同貿大廈等均采用了閉式環(huán)路水源熱泵空調系統(tǒng)。北京在2008年奧運會期間,充分利用得天獨厚的地熱條件,發(fā)揮地熱溫泉的清潔能源優(yōu)勢和保健作用,相繼將一些先進的技術,如地熱尾水回灌、水源熱泵等應用到地熱供暖系統(tǒng)上,同時水源熱泵式中央空調已成為2008 年北京奧運會指定選用的空調型式。在未來的幾年中,中國面臨著巨大的能源壓力。為了適應市場要求和參加國際競爭,我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產業(yè)化研究開發(fā)[1]。
1.3 水源熱泵技術的工作原理
水源熱泵技術[2]是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。水源熱泵機組工作的大致原理是，夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取熱量。 其具體工作原理如下：在制冷模式時，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來進入冷凝器，制冷劑向冷卻水（地下水）中放出熱量,形成高溫高壓液體，并使冷卻水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進入蒸發(fā)器吸收冷凍（建筑制冷用水）中的熱量，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使冷凍水水溫降低。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在蒸發(fā)器中獲得冷凍水。在制熱模式時，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來進入冷凝器，制冷劑向供熱水（建筑供暖用水）中放出熱量而冷卻成高壓液體，并使供熱水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進入蒸發(fā)器吸收低溫熱源水（地下水）中的熱量，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使低溫熱源水水溫降低。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在冷凝器中獲得供熱水
??????圖1：水源熱泵機組的工作原理???????
1.4 水源熱泵技術的優(yōu)缺點
優(yōu)點：(1)屬可再生能源利用技術；(2)高效節(jié)能；(3)運行穩(wěn)定可靠；(4)環(huán)境效益顯著；(5)一機多用，應用范圍廣；(6)自動運行；(7)投資成本低；(8)維修成本低。
缺點：(1)制冷量較大(10kW以上)的水源熱泵空調機組，由于機組內壓縮機的功率大，因而 聲較大，在設計安裝時要考慮一些降低噪聲的措施[4]。
(2)利用新風比較麻煩，新風管道必須敷設到安裝水源熱泵空調機的房間，對于要求較高的房間，如空氣凈化、加濕等有要求的房間，附加措施就更為復雜。
(3)水源熱泵空調機多數(shù)為暗裝，必須同建筑和室內裝潢緊密配合，如空調機質量不好，給維護帶來麻煩。
(4)因為水源熱泵空調機系統(tǒng)是分散性的中央空調，由于機組分散，每一空調區(qū)內的熱泵空調機均要有稍許余量，所以當水源熱泵空調機數(shù)量較多時總用電容量可能偏高，而實際上由于安裝的水源熱泵空調機不可能同時達到最大用電量，所以實際用電量并不高。
2 冰蓄冷技術的發(fā)展與應用
2.1 國外冰蓄冷技術發(fā)展特點
自七十年代世界能源危機以來，各國政府都十分重視開發(fā)新能源與“節(jié)省能源”，促使了蓄冷技術的迅速發(fā)展。美國、加拿大、日本和歐洲一些國家率先將冰蓄冷技術引入到建筑空調系統(tǒng)里來，積極開發(fā)蓄冷設備與蓄冷系統(tǒng)，實施的工程逐年成倍增多。在日本近年來積極引進蓄冷技術，大力開展冰蓄冷技術的研究與開發(fā)應用，到1989年美國、日本、加拿大等國從事冰蓄冷系統(tǒng)開發(fā)和冰蓄冷專用制冷機生產的公司多達49家；美國提出將在1997年將空調蓄冷技術普及應用到99%的宏偉目標；根據(jù)有關統(tǒng)計1990年北美冰蓄冷空調系統(tǒng)的投資占當年新增暖通空調系統(tǒng)總投資的24.2%。
2.2 國內冰蓄冷技術發(fā)展現(xiàn)狀
我國臺灣省自1984年建成第一個冰蓄冷空調系統(tǒng)以來，蓄冷空調系統(tǒng)發(fā)展很快，由1992年33個蓄冷空調系統(tǒng)，到1993年為142個，到1994年就已建成225個蓄冷空調系統(tǒng)，總冷量高達2009000Kwh；移稼高峰用電超過52000Kw，用戶每年節(jié)省臺幣達3.1×105萬元。九十年代，我國大陸地區(qū)蓄冷技術也得到了發(fā)展，首先中電深圳工貿公司在辦公樓中應用了法國的冰球式蓄冷系統(tǒng)，使裝機容量降低45%以上；北京西冷工程公司開發(fā)研制的有壓式齒球蓄冷器已獲國家專利并用在北京日報社綜合樓和廣州市面上某辦公樓的空調系統(tǒng)中，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益；同時浙江國祥制冷工業(yè)公司推出了完全結凍式冰蓄冷系統(tǒng)在浙江諸暨百貨大樓實行了國產大型冰儲冷首例中央空調系統(tǒng)，僅用一年時間就完成了設計施工任務，并于1995年8月10日調試成功投入運行。儲冰蓄冷國產化的成功，克服了冰儲冷中央空調投資大的缺點，對推廣冰蓄冷空調事業(yè)起到很好的促進作用。國家計委、國家經(jīng)貿委和電力工業(yè)部聯(lián)合提出到2000年將轉移1000~12000萬Kw的尖峰負荷到低谷使用，這將為國家節(jié)省150~250萬元的資金，這是節(jié)能節(jié)電中一項利國利民的重大創(chuàng)舉；據(jù)統(tǒng)計，就北京市面上目前擁有集中空調的賓館與寫字樓約250座，商場約50家，空調負荷約30~40萬kw，這是些負荷具有較大的冰蓄冷空調前景，即具有很大的削峰填谷的潛力，聯(lián)系到全國冰蓄冷空調的前景更加是宏偉壯觀[5]。
2.3 冰蓄冷空調原理
空調冰蓄冷技術，即是在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用電動制冷機制冷，使蓄冷介質結成冰，利用蓄冷介質的顯熱及潛熱特性，將冷量儲存起來。在電力負荷較高的白天，也就是用電高峰期，使蓄冷介質融冰，把儲存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調或生產。
目前使用的幾種冰蓄冷設備有冰盤管式、凍結式、冰球式等，其蓄冷原理如下：
（1）冰盤管式 冰盤管式蓄冷，是利用金屬盤管，將盤管伸入蓄冰槽內，使冰直接結在蒸發(fā)盤管上。使用時，使中央空調回水直接沖蝕槽內的冰，使冰融化而放出冷量。
（2）凍結式 凍結式蓄冷，是利用塑料管或金屬管，將管道伸入蓄冰槽內，并在管內通以冷水機組制出的低溫二次制冷劑，使蓄冰槽內的水凍結成冰。使用時，將中央空調負荷端流回的溫度較高的乙二醇溶液通過管內，使管外的冰融化而釋放出冷量。
（3）冰球式 冰球式蓄冷又稱容器式蓄冷，是利用不要形狀的塑膠球作容器，球內充入一定量的水（注意不要充滿，留足水結冰時的膨脹空間）放入蓄冰槽內，以乙二醇水溶液與球內的水進行熱交換，使球內的水結成冰。使用時，讓中央空調負荷端流回的溫度較高的乙醇溶液通入球內，使冰融化而釋放冷[6]。
2.4 冰蓄冷技術的優(yōu)缺點
優(yōu)點：（1）節(jié)省電費；（2）節(jié)省電力設備費用與用電困擾；（3）蓄冷空調效率高，具有節(jié)能效果；（4）節(jié)省冷水設備費用；（5）節(jié)省空調箱倒設備費用；（6）除濕效果良好；（7）斷電 時利用一般功率發(fā)電機仍可保持室內空調運行；（8）可快速達到冷卻效果；（9）節(jié)省空調及電力設備的保養(yǎng)成本；（10）降低噪亂冷水流量與循環(huán)風上減少，即水泵與空調機組運轉振動及噪音降低；（11）使用壽命長。?
缺點：（1）對于冰蓄冷系統(tǒng)，其運行效率將降低；（2）增加了蓄冷設備費用及其占用的空間；（3）增加水管和風管的保溫費用；（4）冰蓄冷空調系統(tǒng)的制冷主機性能系數(shù)（COP）要下降。
3 冰蓄冷技術與水源熱泵的巧妙結合
3.1 概述
如上所述，水源熱泵和冰蓄冷技術均起源于歐美一些發(fā)達國家，我國從20世紀90年代開始推廣這兩項技術。水源熱泵技術是可再生能源的開發(fā)、利用技術，它利用自然界可再生的能源，如地下水、地表水、江河湖水、工業(yè)廢水等儲存的大量低品位能源，通過少量電能將其轉化為高品位的能源，其能效比可達4。該技術可以大幅度降低用戶的能源使用費用，同時也可取代鍋爐，減輕了環(huán)保壓力。冰蓄冷技術主要是為了平衡電網(wǎng)的晝夜峰谷差，在夜問電力低谷時段蓄冰設備蓄冷，在日問電力高峰時段釋冷，是電力部門削峰填谷的最佳途徑。水源熱泵技術雖然可以供暖制冷，但本身不具備削峰填谷的能力；冰蓄冷雖然可以起到削峰填谷的作用，但無法在冬季供暖。本文考慮將兩項技術聯(lián)合運行，取長補短，進行優(yōu)勢互補。
3.2 水源熱泵與冰蓄冷空調系統(tǒng)聯(lián)合運行的優(yōu)越性
通常在選擇水源熱泵機組供熱供冷時，要根據(jù)不同區(qū)域建筑物的基本負荷狀況進行設備選擇。在我國長江流域地區(qū)，建筑物夏季的冷負荷往往大于冬季的熱負荷，而熱泵機組在額定工況下制熱量大于制冷量(通常情況下熱泵機組的制熱量是制冷量的1～1．3倍)[7]。因此，如果按照冷負荷標準選擇機組，勢必會導致機組的制熱能力超出建筑物的熱負荷要求，造成機組投資和運行費用的浪費；如果按照熱負荷標準選擇機組，則會出現(xiàn)夏季制冷量不足。此時，如果與冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運行，就可以按照冬季熱負荷標準選擇機組，以冰蓄冷空調系統(tǒng)作補充。這種水源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運行的復合能源形式既降低了水源熱泵系統(tǒng)的初投資，又可使用戶充分利用峰谷電價的差額降低運行費用；另一方面在一定程度上也可減輕采用常規(guī)能源帶來的環(huán)境壓力，為平衡電網(wǎng)負荷作出貢獻，可謂一舉多得。
3.3 聯(lián)合運行系統(tǒng)設計
水源熱泵與冰蓄冷空調聯(lián)合運行系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構成：地下水／地表水換熱系統(tǒng)、三工況熱泵機組工質循環(huán)系統(tǒng)、冰蓄冷空調系統(tǒng)、供冷供熱板式換熱器系統(tǒng)、室內末端系統(tǒng)。在夏季電力低谷時段，熱泵機組制冷工況運行進行蓄冰，白天用電高峰時段釋冷。若日間冷負荷需求較小，單獨采用冰蓄冷空調供冷；若日間冷負荷需求較大，三工況機組白天運行于空調制冷工況，由水源熱泵機組和冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運行供冷。冬季采用水源熱泵系統(tǒng)為室內供熱。夏季供冷系統(tǒng)流程如圖2所示。
圖2:夏季水源熱泵與冰蓄冷空調系統(tǒng)聯(lián)合運行流程
冰蓄冷空調系統(tǒng)由冷卻循環(huán)、制冷循環(huán)、蓄冰循環(huán)和供冷循環(huán)四個子循環(huán)組成。其中，供冷循環(huán)又可分為三種供冷方式，即主機單獨供冷、主機與蓄冰裝置聯(lián)合供冷、蓄冰裝置單獨融冰供冷。在此運行流程中，水源熱泵機組運行時冷凝器產生的熱量經(jīng)水側換熱器傳遞至地表(下)水側，蒸發(fā)器冷量則聯(lián)合蓄冰裝置一起供至空調末端換熱設備。夜間用電低谷期間主機蓄冰，日間用電高峰期間可不開或少開制冷主機。既可提高水源熱泵機組效率，還可利用峰谷電價差額，降低運行費用。
供暖期間，系統(tǒng)通過閥門切換改變載冷劑的流動方向。水源熱泵機組仍維持與夏季相同的制冷循環(huán)，蒸發(fā)器產生的冷量經(jīng)水側換熱器傳至水中，而冷凝器產生的熱量供至空調末端換熱設備。即把地表(下)水經(jīng)過水源熱泵機組提高溫度后為室內供熱。如圖3所示，系統(tǒng)由載熱循環(huán)、制冷循環(huán)和水循環(huán)三個子循環(huán)組成。
圖3:冬季水源熱泵供熱系統(tǒng)運行流程
4 結束語
通過以上對水源熱泵與冰蓄冷空調系統(tǒng)發(fā)展應用及其聯(lián)合后的分析，我們可以看出采用水源熱泵與冰蓄冷結合不僅在一定程度上解決了污染問題，而且還為平衡電網(wǎng)負荷做出了貢獻。此外這兩項技術的強強聯(lián)合,復合式系統(tǒng)運行是經(jīng)濟的，并且具有明顯的節(jié)能潛力。相信只要揚長避短、優(yōu)化設計,水源熱泵與冰蓄冰空調聯(lián)合構建的復合式新型能源系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。
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9
文獻翻譯
題 目采用冰盤管蓄冷的地熱泵空調系統(tǒng)設計
學生姓名
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地源熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)
地源熱泵系統(tǒng)的技術應用分析
Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. Rosen
Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4
摘要 對于一個學校的循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)，我們對它使用了四種不同的熱泵和換熱管系統(tǒng)，得到了一份詳細的能源消耗分析。對于每一個區(qū)域，我們采用一個單獨的循環(huán)系統(tǒng)，包含單獨的循環(huán)回路熱泵，以及三種重要系統(tǒng)（流速不斷變化的熱泵，流速恒定的熱泵和二級熱泵回路）都考慮在內。單獨的循環(huán)系統(tǒng)能耗是13100kwh每年，變流速循環(huán)熱泵每年消耗18800kwh，恒定流速熱泵系統(tǒng)每年消耗108600kwh，兩級熱泵每年消耗65500kwh。設計數(shù)據(jù)，建立回路，控制熱泵，分析數(shù)據(jù)，繪制表格。
關鍵詞 熱力 地熱能 熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟
引言
地源熱泵系統(tǒng)包含四種不同子系統(tǒng)：（1）地源熱交換系統(tǒng)（2）地面的熱泵系統(tǒng)和房間內的循環(huán)管路用來連接熱交換器和熱泵系統(tǒng)（3）水循環(huán)熱泵系統(tǒng)（4）空氣處理系統(tǒng)。設計者往往花費大量的能源和資源給地源熱交換系統(tǒng)，因為地源熱交換系統(tǒng)是一個新穎的熱交換組合對于大多數(shù)的暖通設計工程師。不幸的是，從而忽略了對其他三個組成部分的關注。很多傳統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)其實可以全面地代替這種高效的冷熱交換。當土壤中回路被準確地設計和安裝，高效的水源熱泵按指定的條件，地源熱泵系統(tǒng)確實是高效的。然而這種高要求和熱泵的能源使用可以導致設備體積過大，對管材的要求高，特別是系統(tǒng)設備的準確控制都要引起我們的關注。
對于商業(yè)建筑和公共建筑地源熱泵管道回路的設計程序主要取決于建筑訂約人通過術要求和暖通技術工程師。在二十世紀七十年代，地源熱泵系統(tǒng)在居民住宅的空氣調節(jié)中有了很大的發(fā)展。在一些地區(qū)，這種發(fā)展慢慢進入一些商業(yè)建筑，這些系統(tǒng)的設計往往都是沒有專業(yè)的設計師，管道網(wǎng)絡的設計趨向于復雜的有分功率和濕轉子泵的單獨回路，僅僅通過壓縮機的傳遞來關閉水泵系統(tǒng)。在一些情況下，幾個熱泵裝置通過一個簡單的泵或者復雜的循環(huán)器連接在簡單回路。如果一個單獨的水泵在工作，它會被要求頻繁地持續(xù)運轉；如果一個循環(huán)器在工作，一般它會隨著壓縮機一起工作。然而，安裝一個檢查閥門在每個裝置的出口是非常重要的，用來防止其他裝置的回流當機組停止工作時。
第二個地源熱泵設計技術的關鍵來自于暖通設計師協(xié)會，建立了良好的冷卻水系統(tǒng)和水循環(huán)熱泵空調機組。關鍵的空調機組通常安裝在一個特定的人工機房，建筑內部的管道回路（通常用碳鋼材料的管道）連接著地面管道回路集管。兩級熱泵機組的設計非常普遍，建筑內循環(huán)泵持續(xù)運轉，地面循環(huán)泵只有在管道回路中的溫度低于或者超過設定的溫度才會工作。在一些情況下，一個循環(huán)泵同時控制著房間內和地面的循環(huán)回路，它不停地運轉或者就周期性運轉在機組停止工作時。隨著技術不斷發(fā)展，變流量中央空調機組正在應用于地源熱泵中央空調管道網(wǎng)絡中，這種新的應用要求在每個裝置安裝一個雙向閥來獲得節(jié)能效益。
熱泵系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)以電為動力驅動壓縮機，來保持工質必要的濃度同時傳遞熱能?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內的工質通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度，從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞。熱泵主要包括五個組件(圖1) ：壓縮機、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當然還有很多小型的組件和配件，例如：風機、管道和輔助控制系統(tǒng)。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局
地源熱泵的加熱流程如下：
l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。
l 熱泵機組內制冷劑占主導地位的工質進入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉移到工質中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。
l 蒸發(fā)器中產生的蒸汽進入電動壓縮機，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。
l 高溫蒸汽進入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結，成為高溫高壓液體。
l 熱液體通過膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)
包括制冷系統(tǒng)在內的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器[8,12]。
有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機出口處，將壓縮氣體所產生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。
能源利用效率優(yōu)劣的評價，一般是用系統(tǒng)產出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP)，以此評價熱泵性能。
熱量輸送系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水--空氣傳熱與水—液體傳熱。水—空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質，水—液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質的液體進行換熱。
在北美，最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水—空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調管道和通風口進入建筑。
水—液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅動環(huán)繞建筑轉動，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內溫度最高的空氣在加熱爐中被強迫向天花板上升，形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低。
也有混合的動力系統(tǒng)，它結合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。
影響地埋管的關鍵因素
地面循環(huán)回路以及和它相關的組件和其他典型的暖通熱交換器都有著明顯不同的特點，而這些特點決定了管道內流速的選擇，允許的水頭損失和管道的材料，這些特點包括如下：
地面本身可以最大防止熱量的流動；因此，高性能的熱傳導管道材料，管道接觸面的增大，管內流體的高速流動對于熱傳導意義不大。
因為管內流體的流動一定會經(jīng)過建筑內和地面的循環(huán)管道，因此地面管道要有非常有效的防銹解決方案，而且這種管道材料不需要用有毒抑制劑。
按照設計準則，流體的高速流動對于好的地面循環(huán)換熱回路是沒有必要的，流速的降低也可以顯著減小流體流經(jīng)地面管道的水頭損失。
因為管道內流體的高速流動對于換熱性好的地面管道回路沒有必要，因此適度的流量失衡對于整個熱交換的作用也就比較小。
高效的以及換熱面積大的水-空氣熱泵機組不需要精確的流速控制去追求最大的效率，33%的流速變化也只會讓管道的換熱能力減小2%左右。
因為高效的以及高流程的熱泵機組的流體管道體積要比一般的熱泵機組流體管道大，水頭損失相比較而言也就小。
考慮到水頭損失在地面管道和熱泵機組中比較小，因此集管的長度，控制閥門損失，以及擬合的限制對于水頭的損失都有重要的影響。
推薦材料的花費相比較勞動的代價要小，因此減小摩擦損失對于減小水泵揚程是一個非常經(jīng)濟合理的辦法。
抗腐蝕以及管道網(wǎng)絡的最小化對于系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和正常性具有關鍵的作用。
案例—學校的熱泵機組和管道系統(tǒng)選擇
對于地源熱泵系統(tǒng)，在美國商業(yè)或者公共建筑應用最普遍的就是學校，有這樣的案例：對于一個6700㎡的學校，四種不同的管道和熱泵機組在這里進行實驗。要考慮的是每個分散的熱泵機組系統(tǒng)都有單獨的回路和循環(huán)泵，一個中央循環(huán)熱泵機組用變流量系循環(huán)統(tǒng)，一個用恒定流量循環(huán)系統(tǒng)，一個用兩級循環(huán)系統(tǒng)。表格數(shù)據(jù)顯示建筑的內部情況，熱泵機組的位置，以及200個分散回路的垂直管孔的位置，每個垂直管孔都是六十米深。圖表2是一個教室空調系統(tǒng)的垂直分布圖，這是一個功率是10.5kw擁有三個并排的熱交換管路。
四個系統(tǒng)都在相同的位置安置熱泵機組，但是地埋管道都是放置在離建筑物一定距離的矩形區(qū)域內。地埋管孔的數(shù)量隨著建筑物的冷熱負荷的變化而變，因為地埋管換熱器的規(guī)格由建筑物的冷熱符合決定。比如，這個學校的冷熱負荷的調整系數(shù)在85%，在復雜的地埋管系統(tǒng)中孔的數(shù)量應該是170個要比200個合適。
使用變流量的中央空調系統(tǒng)可以把所要求的流量傳遞到整個建筑和地面的循環(huán)管道回路中。因為流體的流動取決于進出口的壓力差，壓力泵的轉速不斷地調整來維持一個持續(xù)的不同壓力進而改變流量滿足建筑的冷熱需求再回到循環(huán)集管，這樣可以確保持續(xù)流體通過熱泵機組。當一個機組周期性的關閉，雙向閥門也就關閉。隨著關閉的閥門的數(shù)量不斷增加，集管的壓力差不斷變化，由于流量減小，壓力損失也隨之不斷減小。當壓力損失一發(fā)生變化，就會產生一個信號到達驅動控制系統(tǒng)進而降低壓力泵的轉速。這樣的好處就是可以減小對于電能的需求，從而達到節(jié)能的效果。
第三種系統(tǒng)就是持續(xù)運轉的恒流量中央空調熱泵系統(tǒng)，第四種系統(tǒng)就是兩級熱泵控制系統(tǒng)，一級熱泵持續(xù)運轉滿足建筑內管道流體的循環(huán)流動，而只有當回路中流體溫度高于設置的最高溫度或者低于設置的最低溫度時，二級熱泵才開始工作。
變流量系統(tǒng)
相比較其他系統(tǒng)，對變流量中央空調熱泵系統(tǒng)的分析就更加復雜。然而，建筑很大一部分時間都處于低負荷運轉中，冷熱負荷比較小，一個星期大概有50 個小時左右系統(tǒng)處于低負荷運轉，此時對于機組設備的性能特點的分析就非常重要。圖表3是中央循環(huán)管道的系統(tǒng)布局，變流量系統(tǒng)管道設計，恒流量系統(tǒng)管道設計，兩級熱泵系統(tǒng)管道設計都在圖中有詳細的展示。在這幾個系統(tǒng)中，建筑內和地面管道循環(huán)系統(tǒng)所用的管道都是一樣的。圖表5是變流量系統(tǒng)中最長管的揚程損失，想比較其他系統(tǒng)它的損失是最大的，因為必須克服集水管到建筑物和地面換熱區(qū)域管道的摩擦。
圖表4標明了中央管道系統(tǒng)中系統(tǒng)和水泵的關系曲線。圖表上繪制了理論系統(tǒng)性能曲線，這個曲線假設沒有閥門關閉，也沒有最小壓差要求。但是實際上，變流量系統(tǒng)運行的原理是：流體流量不斷地改變通過關閉沒有運轉工作的熱泵機組的雙向閥門。另外，最小壓差可確保流體通過建筑物滿足冷熱需求在回到集水管，進而確保每個機組裝置都有充足的流量。但是假設理論系統(tǒng)壓泵可以提供的水頭壓力是流體通過建筑物回到集水管，理論性能曲線和實際性能曲線就非常相似。
在圖表4中，水泵的生產商提供了水泵轉速在1150rpm和750rpm時的性能曲線，效率相同的點（50%，60%，70%，80%,83%)連接成線且在這兩條性能曲線之間，這樣就可以方便地計算出在這兩條性能曲線之間任意工作效率點所需要的輸入的能量。比如，當流體流量在32L/S時，查表可以知道它所需要的水頭高度是18米，在這個點水泵的效率是82%。水泵所需要的輸入的能量可以從何下面的算式中計算出來：
為了確定系統(tǒng)的電能消耗以及水速和水泵電能需求的關系，我們要用到天氣數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)。對于變流量系統(tǒng)水泵，傳動效率和電機效率影響著電能的需求。
然而，結合著水泵的傳動效率和電機效率對于計算小流量的能耗并不是非常有效的。圖表4中陰影區(qū)域是水泵的低效率區(qū)域，這一不確定的區(qū)域就是水泵在建筑內換熱設備沒有使用時運轉的效率區(qū)域。而且當電機的扭矩低于滿負荷時扭矩的25%時，電機和系統(tǒng)的效率將明顯降低。例如，當一個875轉的水泵性能曲線和實際性能曲線相交時，我們就可以發(fā)現(xiàn)變流量系統(tǒng)水泵的運轉點。當水頭高度是7.5米，水流量是8lps時，水泵的效率大約是50%，則壓泵所需的能耗是1.17kw。在這樣的負荷運轉下，電機的驅動效率就接近57%。當流速是滿負荷運轉時流速的21%，工作時負荷是滿負荷的16%時，能耗是2.05kw。不斷地重復這個過程，分別算出流速是系統(tǒng)滿負荷運轉流速的50%，75%，100%時，所需要的能耗。用這些數(shù)據(jù)點，此系統(tǒng)的相關性如下：
因為建筑物的冷熱負荷和所需要水流的流速之間的存在直接關系，且這種關系是直接利用的，因此，等式3的關系式就允許水泵所需的能耗來估計建筑內的冷熱負荷。
輔助冷卻組件
由于壓縮機和泵都不是100%的效率，它們運行過程中產生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機和泵產生的廢熱可用于預熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機外面，由它們的電動機驅動能夠實現(xiàn)將熱量傳遞出去。預熱能夠提高組件性能，提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負荷。
地面霜凍循環(huán)
在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結構的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會大幅度影響當?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的20—50%。該系統(tǒng)不應當使地面凍結的時間超過自然周期內凍結的時間，不應當擾亂當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應當時安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性。
分析
1.關于變流量系統(tǒng)是能耗最低的系統(tǒng)的假設并不是都成立的。
2.對于一個一周要工作40個小時的居住條件，由于系統(tǒng)的效率，很大一部分能量消耗在變流量系統(tǒng)流速的改變且系統(tǒng)機組無負荷運轉的情況下。
3.對于地源熱泵的幾種不同系統(tǒng)，系統(tǒng)能耗的降低取決于水流揚程的降低，因為當無冷熱負荷時，水泵很大一部分時間都是停止工作的。
4.盡管小循環(huán)熱泵的電機效率要比大型的中央空調熱泵效率低，但是對于地源熱泵的各種分散系統(tǒng)而言低能耗依然有可能實現(xiàn)。
5.恒速水泵在不斷地工作運轉，消耗大量的電能。
6.大型水泵能耗的變化很大程度上就是我們通?？梢允褂玫哪芎姆秶?。
建議
1.在低負荷運轉的情況下，我們要考慮能耗的最小化，因此在設計時我們要考慮讓變流量系統(tǒng)的水泵停止工作當機組在低負荷運轉時。
2.為了滿足變流量系統(tǒng)水泵在低負荷運轉的工作要求，大量設計工作需要去做。
3.我們應當不斷地去追求循環(huán)水泵和電機的效率。
4.對于一個每周要工作5天，每天要工作8-10小時的空調系統(tǒng)，如果我采用恒流量中央空調循環(huán)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)會非常的不合理和高能耗。
5.我們也要考慮水泵的揚程以及地面的循環(huán)管道損失。
6.我們也要考慮水泵尺寸過大的影響。
7.如果實驗數(shù)據(jù)相似，我們就要考慮在其他的建筑形式以及不同環(huán)境條件下進行實驗。進而得到所需數(shù)據(jù)分析。
結論
地源熱泵是一種高效的供熱技術，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間，相對于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經(jīng)濟性等方面。
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