学文网摘要：本文通过对该空调形式的深入剖析，讨论了可再生能源利用、冷热源形式与分布、能量输配系统的能耗以及部分负荷下系统效率的变化与系统的可调节性等问题，从而为该类空调系统的设计应用提供了有益的借鉴。
关键词：地源热泵；设计；控制
Abstract: this article through to the air conditioning form of thoroughly analyzed, discussed the renewable energy, cold and heat source form and distribution, energy distribution system and the energy consumption of the efficiency of the system under partial load with the changes of the system can be accommodative, so as to the design of the air conditioning system for this application to provide the beneficial reference.
Key words: the ground source heat pump; Design; control
中***分类号：TH3 文献标识码：A文章编号：
1地源水环热泵概述
1．1 地源水环热泵概念及系统形式
地源水环热泵空调系统是将浅表层地热能利用技术与水环热泵空调技术结合起来的系统。常规水环热泵为调节水环内循环水的温度需增加辅助冷源和热源，如冷却塔、锅炉等，见***1。地源水环热泵则是用可再生的浅层地热能替代了常规的辅助冷源和热源，水环热泵机组供冷时需排除的热量通过地下环路排走，供热时需补充的热量通过地下环路补充，具有节能、环保的独特优势，见***2。
根据低位热源的不同又可分为土壤源水环热泵空调系统、地表水水源水环热泵空调系统及地下水水环热泵系统三大类。
土壤源水环热泵空调运行可靠，效率较高，但地下埋管投资较大，见***3(a)。地表水水环热泵空调系统利用海水、江河等地表水及污废水等作为低位热源，采用开式直接取水和闭式抛管换热系统排热和吸热，投资较土壤源水环热泵可减少，效率较之下降，见***3(b)。地下水水环热泵利用地下水作为系统冷热源，其方式与地表水类似，但由于地下水资源开采受到限制，且回灌技术手段复杂，该技术的采用受到了一定的限制，原理见***3(C)。
1．2 地源水环热泵系统特点
作为一种新型的空调系统型式，地源水环热泵空调系统有着其固有的特点：
(1)高效、节能，余热可直接回收：地源热泵冷热源温度较为恒定，较之其他形式的空调系统可节能25％ ～30％ ，水环热泵系统具有热回收的功能，能充分利用建筑物内区的余热，节约了能源。
(2)设计、施工方便，无需集中机房，特别适合于旧建筑暖通空调系统的改造。
(3)水环热泵机组还具有负荷调节能力强，使用灵活、能满足用户的局部空间、局部时段不同的使用要求的优势。
(4)水环热泵空调系统可采取计量末端机组的耗电量，循环水系统运行费用分摊的办法来达到单户计费的目的，计费方便、准确度高。
2 地源水环热泵设计关键
2．1 地源侧设计关键
地源侧设计关键是确定换热管内流速，如管内流速过慢，则容易导致流体处于层流过渡区，换热效果不佳，如若流速过大，比摩阻增大，导致泵耗过高。为掌握地源侧换热能力、流体流速与比摩阻之间的关系，本文进行了地下环路换热量与水流速关系试验，同时查取相应比摩阻。本次试验控制机组出水温度为17℃(上下浮动不超过1℃)，共取一组管，7根竖直埋管，集水管管径为DN32，竖直埋管为单U，管径为DN25，通过阀门调节管内流速，同时观察流量计与温度测试探头温度，计算得到换热量，试验结果见***4
通过***4所示，随着管内流速的增大，地埋管单位时间换热量也随之增加，当流速v在0．5～0．6 m／s之间时，换热量约为25kW，管径d为25mm，水运行粘度u为0．805E-6，则雷诺数Re=(vd)/u，计算结果为13000～15000之间，已属于旺盛紊流状态，此时比摩阻为30Pa／m。当流速在0．6～l.0 m／s的范围内，换热量增加比较缓慢，换热量在25～27kW之间，流速较之0．5～0．6 m／s提高了近10％，但此时比摩阻为1l0Pa／m，增加了近3倍。当流速在1．0～1．3 m／s的范围内，换热量在27～35kW之间，换热量曲线逐渐走平，这时继续增加流速换热增加效果已不明显，且比摩阻在不断增大。
通过以上分析，地下环路设计应保证管内流速保持紊流状态，流速不应低于0．5 m／s，考虑运行的经济性，设计流速应保持在0．5～0．7m／s。
2．2 水环热泵侧设计关键
2．2．1 机组形式选择 水环热泵机组形式很多，按照是否集中可分为分离式和集中式，按照安装位置可分为吊挂式和立柜式，可根据房间不同功能需求进行选择，选择原则见表1。
2．2．2 机组噪声控制设计 由于水环热泵压缩机安装在室内，噪声控制显得尤为重要。水环热泵噪声主要来源为热泵机组内部的压缩机和风机，机组低频噪声较高，通过多项示范工程实践，设计应做到以下几点：
(1)机组位置。机组最好布置在吊顶内，避免在人员区。
(2)风系统的消声处理。机组与送风口之间应尽量避免设计成直管段，适当的弯头有利于消声；尽可能采用吸声效果好的风道材料。
(3)机组的吊装方法。机组的吊杆采用橡胶减振垫与机组连接，同时需确保机组一定的水平度，防止压缩机因为倾斜而振动加剧。
(4)风管、水管的连接形式设计。风管和水管与机组的连接均应采用柔性连接以避免由于机组的振动而引起风管和水管的共振。根据实际工程经验，由于帆布软接头不利于隔声，建议风管柔性接头。
2．3 水环路系统设计关键
2．3．1 辅助设备选取
(1)辅助散热设备。夏热冬冷地区冷热负荷极不平衡，夏季空调负荷约为冬季空调负荷的2倍以上 ，若按照冬季负荷设计地源侧，则辅助散热装置的选型要能负担起供冷工况下超过地热交换器能力的那部分散热量。另外，辅助冷热源可以防止热力不平衡的发生。一般采用的辅助散热装置是冷却塔。ASHRAE在1995年给出了其推荐的辅助散热装置选型设计方法(其主要是计算确定作为埋管辅助散热设备的冷却塔容量的)，公式如下：
式中：Q一辅助散热装置的设计放热量；
Q1一设计供冷月散热总量；
Q2一通过热交换器排放到土壤或地表水中的
设计供冷月散热量；
Hours一设计供冷月的小时数。
(2)辅助加热设备。目前常用的辅助加热设备有锅炉、低温水源热泵机组、水水换热器、汽水换热器等，由于部分采用天然热源(可再生能源)，辅助热源的选用应按照以下步骤选用：① 计算建筑热负荷；② 在最不利工况下天然热源可提供的热量；③ 将建筑热负荷减去天然热源可提供的热量乘以 (此比值约为0.7 )，即为加热设备的容量。
2．3．2 水温控制策略 普通水环热泵环路内水温一般控制在15℃ ～32℃，但是对于地源水环热泵系统，为更大程度的利用可再生能源，可适当降低环内温度，一般可控制在l0℃～32℃(目前超低温水环热泵机组可实现5℃ 一8℃运行)。
排热控制：(1)水温不高于32℃ 时，可直接采用天然冷源(地下埋管、地表水)进行冷却；(2)水温高于32℃ 时，可开启循环水泵，利用自然对流排热；(3)水温高于35℃ 时，可开启低速风机，水温继续升高，则开启高速风机。
加热控制：(1)当环路水温高于l0℃ 时，利用天然冷源进行冷却；(2)若环路水温低于l0℃ 时，开启加热设备，高于12℃ 时，关闭加热设备。
3 水环路变流量运行与控制
由于水环热泵负荷调节范围较广，最低可达到设计水流量的10％甚至以下，在小负荷下也保持机组经济运行，必须采取以下措施：(1)各台水环热泵均设置二通阀，与机组联动；(2)水环路循环水泵的启停与二通阀联动，系统中只要有二通阀处于开启状态水循环就要投入运行；(3)水环路水泵根据压差进行台数和变频控制；(4)水泵应根据负荷特性合理搭配。
3．1 水泵的合理搭配
水泵搭配设计关键是防止变速后水泵频率与隔振装置频率发生共振及防止管路特性变化后的水泵进入喘振区(该点可由设备厂商校核)。水泵合理搭配设计方法为：
(1)进行水泵合理搭配前应掌握建筑的负荷情况，计算最小负荷率；
(2)根据最小负荷率计算水泵变频后的频率，与隔振装置固有频率比较，应大于隔振装置固有频率的2．5倍以上。如未达到2．5倍以上，则重新设计，减少每台水泵流量，直到满足条件；
(3)工程中为了减少泵数量，可设置多台大泵带一台小泵，一方面满足低负荷运行时系统要求，另一方面防止低负荷状态开启大泵造成共振。
3．2 循环水泵的合理控制
(1)主循环水泵应连续运行，当系统缺水时，备用水泵投入运行；如果继续缺水，应停止系统运行进行检查，直至手动复位为止。
(2)循环水泵应与水源热泵机组连锁。可在各功能区设置现场控制器，当此功能区水环热泵机组启动，打开电动二通阀时，将信号传至现场控制器，现场控制器将信号传至水泵，水泵首先启动小流量泵，该泵启动后由压差控制阀决定转速，随着投入的水环设备不断增加，系统供回水压力不断减小，水泵转速提高，当小泵达到工频状态后，压差继续减小，则关闭小泵，开启大泵，直到水泵完全开启按工频运行；反之，水泵按循序关闭。
(3)正常情况下，可利用时间控制器使主循环泵和备用泵交替运行以延长泵的使用寿命。
4 水环热泵计费设计
水环热泵系统中没有了集中用电的大户“冷水机组”，主要的用电为末端机组。通过单独的电表计量(而非通过冷量统计来间接分摊主机用电量)，由用户负担空调的电费(另外仅分摊极少量的循环水系统的电费)，减少了物业管理的负担，以及用户间因使用不均而产生的计费纠纷。
水环热泵空调系统属于集中一分散式系统，辅助加热装置、排热装置及循环泵、冷却泵集中设置(一般称为中央水泵站)，制冷制热及空气处理采用分散在各空调区域的水一空气热泵机组，热泵机组的水源被封闭在一个双管的水环路中，热泵机组将系统中的循环水作为吸热(热泵工况)的“热源”或排热(制冷工况)的“热汇”，形成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的空调系统。水环热泵空调系统中主要的能量转换在空调区域内的水环热泵机组中实现，空调费用的计量分两部分，一部分直接计量水环热泵机组的耗电量，另一部分根据水环热泵机组的耗电量对中央水泵站部分的公共耗电量予以分担。
水环热泵空调系统计量方便准确，同时具有一些其它空调系统所无法比拟的优点，非常适合在大型高档出租型商务写字楼中应用。
5 结 论
(1)地源水环热泵在利用可再生能源基础上，实现了地源热泵局部空间、局部时段的高效使用，具有较好的推广价值；
(2)地源水环热泵空调系统设计与普通集中式空调有较大区别，特别应注意地下环路流速的选择及室内机组噪声处理；
(3)地源水环热泵空调系统水环路侧的设计应注意水泵合理搭配和控制，防止水泵发生共振；
(4)地源水环路空调方便计费，适合用于商务出租型办公建筑。
注：文章内所有公式及***表请以PDF形式查看。
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