复合式地源热泵系统冷却塔容量分析

1、复合式地源热泵系统冷却塔容量分析对宣合式地源热泵系统、从地埋管长度的计算以及旃定冷却塔容量的选杵到 系统控制策略的制定，都与建筑的负荷密切相关。因血、首先对建筑全I逐时页 荷进行分析. DEST牧件是由清住大学开发的建筑环境全平模抵计算软件、己伐 为r暖迥行业学术研究的重耍能耗计算工具.其建立的模型准确，操作界而简电 且方使心七因此.本文采用DEST软件对建筑进行全年逐时负荷计算。本文以重庆市某医院住院大楼为例、分析习1】需连续供冷热）的建筑的负 荷特征口重庆市某人民医院住院大楼建于加Q&序建筑而枳1838931 m空调 lili积L4700 m-.建筑共12层，其中负一和为设备房W库房，I至

2、1层为病房fl 医中办公室、II层为步公室刑手-术室。建筑模型见图4.1 fl图43RH.1建筑模型正立而图图4.2建4模型背立面图Fifi4.1 Front cIctation of thc building modelIL*SL*Fifi4.2 B k 侦 clcvatio n o I the b uild in model为了计算建筑全申逐时负荷大小，需要对建筑角个参数进行设定。对于建筑 困护结构、参晾&公共建筑节能设计标准（GB2OO5）进行设定。对于室内设计 参数参照相关规范fl乎册.对主耍房间室内设计参数、人员、灯光及设备进f如 I、说明L空调房间室内设计参数见表斗.1表4.1房间

3、空调设计参数Tablc4.1 Air conditioning design parameten* of the room房间名称夏季冬季病房2627C45-50%22-23r40-45%办公室2426“C35%手术室22-25r40-60%22-25r45-60%人员对于病房，按照设计病床数设定，同时考虑一定的病人陪床人数，新风量为 每人30m3/h：手术室人员密度0.1 A/m新风量30m3/h：办公室人均占有而枳0.25 fil/人，新风量30m3/h：照明和设备对于病房，室内照明采用日光灯，病房照明功率密度2ow/mj:手术室照明功 率密度4ow/m办公室照明功率密度11 w/m1，设

4、备功率2ow/mM担旧变、斐-671.3020004000热务荷/kW6000800010000冷负荷/kW时间/h图4.3建筑全年逐时负荷Fig4.3 Hourly load of the building throughout the year通过计算，建筑全年逐时负荷见图4.3。供冷时间6月1日到9月30日，供 暖时间12月1日到2月28日。全年累计的冷负荷1712141.58 kWh,全年累计热 负荷902532.92kWh,建筑的冷热负荷不平衡率为1.9:1。为了分析建筑的负荷特 征,将冷负荷分为负荷率为 12.5%、25%、37.5%. 50%、62.5%75%、87.5%. 10

5、0%共8个区域段，对不同负荷率的累计小时数分布进行详细的分析。5000so y-zwz、一方 12.50% 325% 37.50% 350% 曰62.50% (375% 8750% 100%图4.4 6月到9月建筑不同负荷率分布Fig4.4 The building load distribution from June to September月月 7lllllllllllllllllllllllllllllll1根据图4.4, 6月建筑负荷率多数在62.5%以下，7月和8月大部分负荷率在 25%75% , 9月70%的时间段内负荷率为025%。同时，6月和9月负荷率超过 75%的时间极少。

6、则从李节上看，6月和9月的冷负荷较低，而7月和8月的冷 负荷较高。这主要是6月和9月室外干湿球温度不高，建筑冷负荷小。而根据冷 却塔模型，在室外湿球温度较低的情况下有利于冷却塔的运行，即在6月和9月 冷负荷小，同时有利于冷却塔的运行。以上从李节上分析了建筑负荷率的分布情况，而对于复合地源热泵同时需要 考虑在一个工作日内建筑负荷的变化，以便合理的分析冷却塔的运行时间和土埃 温度的恢复时间。由于一般夜间室外空气温度较低，一方面利于冷却塔的运行， 另一方而也有利于土壤温度的恢复。因此，本文将负荷按照白天和夜间两个时段 分析。职白天运行时间为早上8点到晚上10点，其余时间为夜间运行时间，其负 荷率分布

7、见图4.5和图4.6。口 12.50% E3 25% 037.50% 幽50% 曰62.50% 曰75% E3 87.50%a 100%图4.5 6月到9月口大建筑负荷率分布Fig4.5 The building load distribution from June to Septemberof davtimc 12.50% 臼25% 37.50% 口50% 62.50% m75% 曰87.50%图 100%图4.6 6月到9月夜间建筑负荷率分布Fig4.6 The building load distribution from June to September of night对比图4.

8、5和图4.6, 6月白犬和夜间的负荷分布基本相同，80%的时间内负 荷率在62.5%以下，直到6月20号以后白犬部分时间负荷率在62.5-87.5%o而对 于7月和8月，负荷率在62.5%以上的时间段多数出现在白犬，而夜间负荷率基 本在62.5%以下。到了 9月，白天和夜间的负荷都基本在50%以下。从总体上可 以看到，夜间建筑的负荷率在62.5%以下。经过以上分析，可以得到以下儿点：一是对于医院类建筑，可以发现住院大楼夏季需要全犬供冷，即负荷持续性 强S因而若采用常规地源热泵系统，即使夜间负荷率较低，地源热泵系统也无 停机时间，即无间歇时间，最终将导致系统瘫痪而无法使用，此时采用复合式地 源热

9、泵系统较为合适。二是在过渡季节，即6月和9月，建筑负荷率基本在62.5%以下，且此时室 外空气温度较低，有利于冷却塔的运行，此时有可能比地源热泵系统更为节能。 因而研究过渡季节系统的控制方式是有意义的。三是在夜间，建筑的冷负荷较白天低，总休上夜间建筑的负荷率在62.5%以 下。同时，夜间室外空气温度比白犬低，一方面有利于地埋管土壤温度的恢复， 一方而又有利于冷却塔的运行。因而可以考虑在夜间停止运行地埋管换热器，以 保证埋管周用土壤温度恢复。4.2冷却塔容量分析系统形式经过以上负荷特征的分析，对于负荷特征为24h需要供冷的医院类建筑，宜 选用地埋管换热器和冷却塔能分别独立运行的复合式地源热泵系统

10、，以便为地埋 管换热器周围土壤提供温度恢复时间，保证系统能正常运行。因而，结合不同系 统形式可实现的运行工况，有两种形式可以满足要求：辅助冷却塔与地埋管系统 并联系统和冷水机组与地源热泵复合系统。同时，根据这两种系统形式的特点， 本文以冷水机组与地源热泵复合系统为研究对象，可以避免冷却塔出水温度对热 泵机组能效的影响和复杂的流量分配控制，减少板式换热器的热量损失，充分发 挥地源热泵技术和冷却塔技术，即见图3.4。地埋管换热器和冷却塔负荷分担对于地埋管换热器长度的计算，采用峰值负荷方法。首先，需要了解该地区 土壤初始温度分布情况。课题组成员于200 6年8月4日和11月29日分别对该建 筑区域夏

11、季和冬季土壤温度进行了测试”61,职该建筑所在地土壤夏李和冬季的 平均温度为19.9C。其次，根据321节热泵机组性能系数COP的确定方法，期 望的热泵最高进水温度最低进水温度Tmi=4-C ,热泵机组夏季和冬 季的平均进水温度为27.45C和11.95C。根据某厂家样本，常规热泵机组的平均 夏季EER为5.57和冬季COP为4.54。经修正后，得到常规地源热泵机组年平均 EER=5.23 和 COP=4.7。选取重庆地区土壤参数 p, =2400kg/m, X=2.035w/nfC , “=9.2x10“ m/s,选用DN32聚乙烯管。参考地源热泵系统工程技术规范 GB5O366-2OO9

12、），根据峰值法计算得到竖直埋管换热器钻孔长度夏季为 31105m.冬季为 19530m.对于冷却塔容量的确定，参考Kavanaugh和Rafferty提出的选型方法，结合 建筑的负荷特征，对比分析了以下儿种方案：方案1：采用常规地源热泵系统，不增加辅助冷却塔，竖直埋管换热器钻孔 长度按照夏季确定，即31105m,夏季地埋管承担的负荷为1731kW。方案2：根据Kavanaugh和Rafferty提出的选型方法，地埋管换热器钻孔长 度按照冬季度确定，即19530mo此时，夏季地埋管承担的负荷为1093kW,冷却 塔所承担冷负荷为638kW,即冷却塔容量为总负荷的36.86%。方案3：考虑在过渡季

13、节和夜间为地埋管换热器周用土壤温度提供恢复时间, 减小土壤全年热不平衡率，此时冷却塔独立运行，但同时必须保证在此期间建筑 用户的需要，需加大冷却塔容量以满足用户使用要求。根据负荷特征分析，在过 渡季节和夜间，建筑的负荷率不超过62.5% o因此，地埋管换热器钻孔长度按照 冬季度确定，即19530m,而同时考虑选择冷却塔的容量为建筑冷负荷的62.5%, 即 1125kW.不同方案设备选型为了分析冷却塔容量对系统的影响，先对以上三种情况进行设备选型。基于 某医院住院大楼的实际情况，依据文献I中推荐方法进行水力计算和水泵选型，不同方案设备选型见表4.2、表4.3和表4.4。表4.2方案1主要设备表T

14、ablc4.2 Main equipments of sc heme 1设备名称规格型号台数地源热获机组DRSW-250-12制冷ft S7O.3kW.功率 152.9kV；制热ft 903.9kW.功率 195. IkW地埋管循环水泵DFW150-400B.流ft 2O8mVh.扬程 3()mH/).功率 30kW3地埋管钻孔长度31105m表4.3方案2主要设备表Tablc4.3 Main equipments of schcmc2设备名称规格型号台数地源热获机组DR SW-160-12制冷ft 552,7kW.功率 99.4kW；制热ft 577.3kW.功率 126.8kW冷水机组RS

15、W-200-1A1制冷量693.lkW.功率128.0kW地埋管循环水泵DFW 125-160.流量 16()m3/h.扬程 32mHR.功率 22kV3冷却塔循环水泵DFG 125-160A.流ft 150m3/h.扬程 2SmHp.功率 18.5kW2冷却塔KSTN 175.冷却水ft !75mVh.功率 5.5kW1地埋管钻孔长度19530m表4.4方案3主要设备表Tablc4.4 Main equipments of schcmc3设备名称规格型号台数地源热泵机组DR SW-160-12制冷ft 552,7kW.功率 99.4kW；制热ft 577.3kW.功率 126.8kW冷水机组

16、RSW-I70-1A2制冷ft 591.3kW.功率 10S.5kW地埋管循环水泵DFW 125-160.流量 16()m3/h.扬程 32mHp.功率 22kV3冷却塔循环水泵DFG 125-160A.流ft 150m3/h.扬程 2SmHp.功率 18.5kW3冷却塔KSTN 175.冷却水ft !75mVh.功率 5.5kW2地埋管钻孔长度19530m4.3计算结果分析冷却塔容量的确定是系统优化控制分析的前提。因而，本章以笫二衰建立的 模型为基础，采用甘前研究的最优控制方式一湿球温度控制为计算控制方式，利 用FLUENT软件UDF进行编程（见附录B）,由于计算时间限制，本文仅对一个 制冷

17、季土壤温度变化和机组进出水温度进行了计算。夏季制冷季为6月到9月， 时间步长为3600s,共2928步，采用FLUENT软件计算。热不平衡率的计算对复合式地源热泵系统，辅助冷却塔的作用之一就是承担部分冷负荷，减小 因建筑冷热负荷的差异而引起的土壤吸热和释热的不平衡。土壤吸热和释热的不 平衡最直接的体现为土壤的热不平衡率。方案一，采用了常规地源热泵系统，地埋管换热器承担所有冷负荷，累积热 量为1712141.58 kWh。经过计算，土壤所吸收的累枳热量为2090830.54 kWh。假 设冬季机组的COP按设计值4.7考虑，则土壤冬季释放的累积热量为 710504.64kWh.则此时，土壤全年热

18、不平衡率为2.94.方案二，采用复合式地源热泵系统，但冷却塔容量不加大，为建筑冷负荷的 36.86%。经过计算，地埋管换热器累积运行的时间为1654h,向土埃释放的累积 热量为1072362.03 kWh, 土壤全年热不平衡率为1.51.方案三，采用复合式地源热泵系统，考虑过渡季节和夜间为地源热泵系统提 供土壤温度恢复的时间，减小全年土壤热不平衡率，但同时保证建筑用户需求， 根据建筑的负荷分析，适当加大冷却塔的容量到建筑冷负荷的62.5% 22SU*322*92233229X23 00根300心2的饲298.KC2牝2EC22练，S2 95她295她2 93心(b)方案二(c)方案三图4.7制

19、冷季末9月31日土壤祝度分布Fig4.7 Soil temperature distribution in the end of refrigeration quarter end on Septemper 3 1图4.8不同方案下土壤温度随时间变化Fig4.S Soil temperature changes with time in different schemes对比图4.7三种方案下，供冷季末土壤温度的分布，可以明显的看到：方案 一埋管周用土壤温度明显高于方案二和方案三，大量的热量堆积在埋管周用。根 据图4.8,到9月末，方案一埋管周用土壤温度约比方案二高1.5C,比方案三高 2Co

20、方案一、方案二、方案三在制冷季末埋管周围土壤温度比初始温度分别高约 5.C、3.6C、3.1C。到9月，方案一土攘温度仍然继续上升，而方案二和方案三土壤温度上升的 趋势变得较为平缓。分析原因，主要是一方面到9月后室外空气温度降低，建筑 冷负荷减小：另一方而由于大虽:的热量堆积，到9月后地埋管换热器换热效率降 低，大量的时间内辅助冷却塔代替地埋管换热器独立运行，从而使得土埃温度逐 渐恢复。因而增加辅助冷却塔后，可以大大的降低埋管周用土壤温度，且冷却塔 容量越大，埋管周围土壤温度上升得越缓慢。对系统能耗的影响分析经过以上分析，辅助冷却塔容量不同，地埋管换热器和冷却塔对冷负荷的分 担不同，从而埋管周

21、用土壤温度的不同，最后会影响系统的能耗。这也是采用复 合式地源热泵系统的目标：既可以调节热平衡，又可以充分利用冷却塔技术和地 源热泵技术，提高系统能效，从而达到节能的目的。机组进水温度根据机组模型可以看到，机组的进水温度是影响机组性能系数的一个重要参 数。因而，在对系统能耗进行计算前，首先对机组的进水温度进行分析。不同方 案下热泵机组进水温度变化情况见图4.9 =6月17 7月4 H 7月20日8月6日8月23日9月8日9月25 li图4.9不同方案下热泵机沮进水温度变化情况Fig4.9 Inch water temperature of heat pump units under difYe

22、rent schemesP密漆莘在不同方案下，热泵机组进水温度随着运行时间的增加差异越大。在6月， 三种方案热泵机组的进水温度并无明显差异，但随着系统的运行，7月、8月和9 月其差异逐渐加大。方案一，热泵机组进水温度最大，且呈上升趋势，在7月、8月最高温度约 达到了 34-C,到了 9月其最低温度也在26C以上。地源热泵系统无土壤温度恢复 时间，则导致土壤温度逐日上升，热泵机组的进水温度也会逐日上升。同时，方 案一土壤金年热不平衡率大，可以预测，土壤温度会逐年上升，夏季热泵机组的 进水温度也会逐渐上升，最终可能导致系统能效低于传统空调系统。对比方案一，方案二和方案三机组进水温度都有所降低。方案

23、二，在7月和8月，热泵机组的进水温度上下波动较大，其最高进水温度也达到了约33-Co方 案三则在峰值负荷期也能保证机组的进水温度在30C以下，且机组进水温度也明 显低于方案二。对于冷水机组进水温度，利用冷却塔出水温度预测模型计算，得到方案二和方 案三冷水机组平均进水温度分别为25.68-C和25.2-C,但在峰值负荷期间，最高进 水温度也均达到了 33.5*Co系统能耗经过以上分析，冷却塔容量的不同会形响机组的进水温度和地源热泵系统的 运行时间，最终影响系统的能耗。表5.3不同方案下系统能耗（单位：kWh）Tablc5.3 The system energy consumption under different schemes ( kW h)方案6月7, S月9月方案一99921.75352074.SS106966.