地源热泵中央空调的节能分析

朱良鹤

【摘要】地源热泵作为一种利用既可供热又可制冷的高效节能空调系统，通过采取地源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源。通过某工程地源热泵型中央空调节能设计，详细探讨了该技术在中央空调节能设计措施，为同类工程设计提供参考借鉴。 【关键词】地源热泵；空调系统；节能设计 地源热泵是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。 空调按舒适性空调设计，系统形式为集中地源热泵水冷式冷（热）水循环系统，空调设置部位有餐厅、办公用房、包间、门厅、走廊.本工程冷（热）源主机集中设置于地下室地源热泵冷（热）水机房内，空调水系统分为高、低温地源热泵两套系统，其中高温地源热泵系统提供餐厅（大空间区域）空调系统的冷（热）媒源，低温地源热泵系统提供厨房操作间、超市、办公用房、包间等空调系统的冷（热）媒，空调用冷、热媒水通过管道输送到各个房间，空调水系统采用水泵闭式机械循环、定压、膨胀由落地膨胀定压机组解决，系统补水采用软化水。 中央空调节能设计措施 3.1自控系统设计 冷（热）源主机集中设置于地下室地源热泵冷（热）水机房内。由于冷水机组由空调供货商提供的控制器单独控制，bas采用openlink接口q9200a与冷水机组的控制计算机相联，读取每台机组相关信息。系统仅对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵及相关阀门进行监控。机组启动后通过彩色图形显示各设备运行状态、故障状态、参数值及运行参数越限报警，通过鼠标可任意个性设定值，以达到最佳运行状态。机组的每一点都列表汇报，参数值有趋势显示图、报警显示及汇总。bas工作站可通过系统设置的紧急停机开关量信号控制整个冷水机组紧急停机，可对各设备的运行时间进行累计。 3.2空调的节能控制设计 （1）出水温度控制设计。传统的地源热泵机组控制设计，均采用季节恒定出水温度控制。夏天设定蒸發器的出水温度为7℃，冬季设定冷凝器的出水温度为50℃。它没有考虑用户的实际需求和房间的冷热负荷与室外的环境温度密切关联的关系。这种控制方法过于模式化、机械化，缺乏灵活性和人性化，出现能量浪费。 节能的地源热泵机组控制设计，是根据室外温度的变化进行出水温度的控制。夏季地源热泵机组的出水温度控制：①夏季室外温度较高时，设定地源热泵机组的供水温度为7℃；②夏季室外温度较低时，设定地源热泵机组的供水温度为10℃；③夏季过渡季节时，设定地源热泵机组的供水温度为12℃供冷时，蒸发器供水温度每上升1℃，机组节能3%节能特性显著。 冬季地源热泵机组的出水温度控制：①冬季室外温度较低时，设定地源热泵机组的供水温度为50℃；②冬季室外温度较高时，设定地源热泵机组的供水温度为45℃；③冬季过渡季节时，设定地源热泵机组的供水温度为40℃供热时，冷凝器供水温度每降低1℃，机组节能28%，节能特性显著。 （2）地源热泵机组加减载控制设计。传统的地源热泵机组的加减载是通过冷冻水供回水温差和供水流量计算出系统的冷负荷，并根据实际冷负荷调整投入的机组数量。由于地源热泵机组在调温过程中，制冷系统的变化过程和空调系统的变化过程存在15-20分钟的时间差，出现能源浪费。 为解决因时间差导致能量浪费，节能的加减载设计是根据地源热泵机组的运行电流进行控制。当地源热泵机组的运行电流达到电流上限时，机组开始负荷限制：负荷限制的连续时间超过设定时间时，机组加载：当地源热泵机组运行电流总和达到减少一台地源热泵机组运行电流的设定条件，且连续时间超过设定时间时，机组减载。 根据地源热泵机组运行电流的加减载控制方式，可准确确定地源热泵机组加减载时机，最大限度避免了多台地源热泵机组在部分负荷下运行的情况，既避免了设备的损耗和能量浪费，又节省了系统运行费用。 （3）加载过程中地源热泵机组控制设计。传统的地源热泵机组加载是直接起动另一台地源热泵机组。由于已经起动的地源热泵机组处于满负荷状态下，当新机组增加后，原有机组逐渐减载；一般要经过20分钟左右，先后起动的机组才能处于平衡状态。基于节能的节能控制设计是先将原有的地源热泵机组通过负荷限制减载后，再起动新的地源热泵机组，避免了地源热泵机组加减台数时的能量浪费。 （4）末端循环泵控制设计。传统的地源热泵机组的末端循环泵均为定流量系统：在集分水器设置旁通控制阀，当供回水压力超过设定压力时，打开集分水器旁通阀门，减少系统供回水压差，保护末端系统的电动两通阀。节能的控制设计是对末端循环泵进行变频控制，在其末端最不利环路设置压差传感器。平时集分水器压差旁通阀门完全关闭。末端循环泵的运行台数和地源热泵机组对应。控制系统pid调节末端循环泵频率，使最远端的风机盘管或空调箱的供回水压差达到设定值。集分水器压差旁通阀仅当变频泵处于最低频率（30hz），集分水器压差依然大于设定压差时，才开起旁通调节阀，调节集分水器压差于设定压差。由于水泵的能耗要占到机房全年总能耗的30%-40%，因此末端循环泵由定流量转变为变流量控制后，可充分节省循环泵的运行费用和电力的消耗。水泵变频技术，对于我国目前的能源紧缺状态，具有重大的现实意义。 （5）做好设备及管道的保温。做好设备及管道的保温，以减少能量的过多耗费。空调设备和管道的保温，对于节省能量消耗、降低运行费用也是相当重要的。如果保温效果不好或在维修后保温层修复不好，不但过多地消耗冷量，也会由于所供冷水温度的过大温升致空调系统在对空气的出来过程中因无法保证其机械露点而使空调房相对湿度超标。 （6）定期对空调系统水质处理。水污垢、腐蚀及青苔对制冷系统影响极大，也是空调耗能高的重要原因。大气中的尘埃、水分、细菌等不断地由冷却塔进入冷却水系统中，冷冻系统虽较为密闭，但水中溶解氧气对冷冻管材也会产生腐蚀作用，日积月累，空调设备将产生污垢、锈蚀等，是管道堵塞、制冷量下降、浪费电能。根据理论统计，冷凝管的污垢每增加0.1mm，热交换效率就降低30%，耗电量则增加5～8%。

参考文献： [1]文力，黄翔，颜苏芊，等.地源热泵中央空调应用的探讨[j].制冷与空调，2010，16（10）：21. [2]王建伟.地源热泵技术——一种节能环保的新型中央空调系统[j].城市管理与科技，2010（6）：501～503. [3]罗坚.地源热泵中央空调运行优化控制系统设计[d].湖南大学硕士学位论文，2010.