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1、收稿日期:2003 - 05 - 03. 作者简介:张喜明(1974 - ) ,男,讲师,硕士,研究方向:低品位能源的开发与利用. 土壤源热泵供热水装置的实验研究 张喜明 1 ,白 莉 1 ,旷玉辉 2 ,于立强 3 ,全贞花 2 (1. 吉林建筑工程学院,吉林 长春130001;2.上海交通大学,上海200030; 3.青岛建筑工程学院,山东 青岛264000) 摘 要:通过对青岛建筑工程学院的土壤源热泵实验台改进,使之具有供应生活热水的功能,并进行 了实验研究,指出利用土壤源热泵供生活热水可以获得较高的性能系数(COP) ,并能提高热泵年利用 率. 关键词:土壤源热泵;热水供应;COP 中
2、图分类号:TU832 文献标识码:A 文章编号:1672 - 0946(2003)03 - 0479 - 03 Experimental study on domestic hot - w ater supply device of ground source heat pump ZHANG Xi2ming 1 ,BAI Li 1 , K UANG Yu2hui 2 , Y U Li2qiang 3 ,QUAN Zhen - hua 2 (1.Jilin Institute of Architecture and Engineering , Changchun 130001 , China ;
3、2. Shanghai University of Communication ,Shanghai 200030 , China ;3 Qingdao Institute of Architecture and Engineering , Qingdao 264000 , China) Abstract:Improves the vertical ground source heat pump system in Qingdao Institute of Architec2 ture and Engineering in order to supply hot water ,and has e
4、xperimental studies on domestic hot - water supply. Points out making full use of heat pump in a year and obtains high COP with the system. Key words: ground source heat pump ; hot - water supply; COP 近年来有关土壤源热泵的研究日益广泛,其内 容大多集中在研究土壤源热泵系统的冬季供暖和 夏季空调问题上,而对土壤源热泵供热水的研究较 少.随着人们生活习惯的改变和对清洁卫生要求的 提高,特别是由于新型
5、卫生设备的采用,人们越来 越重视住宅及各类建筑的热水供应.目前我国人们 日常生活所需要的热水,大部分是通过燃烧高品位 能源或消耗电能获得,这种获得方式不符合现代节 能的原则.而利用改进后的土壤源热泵系统,以土 壤源热能和消耗少量的电能为代价,可以获得40 45 的生活热水,在夏季制冷工况及冬季供热 工况的过渡季节供应生活热水,实现了供暖、 供冷、 供热水一体化,既节约了能源又不污染环境,具有 非常重要的节能环保意义. 用热泵供应生活热水,在许多发达国家已有多 年的研究基础和应用实例 12 ,但国内此方面的研 究尚不多见.作者通过改造青岛建筑工程学院的土 壤源热泵实验台 3 ,利用土壤源热泵供热
6、水的实验 装置,并进行了供热水的实验研究. 1 热泵供热水系统的形式及其工作 过程 利用热泵供热水系统有直接加热和间接加热 两种方式. 直接加热方式是将热泵的冷凝器直接置于储 热水箱中用来加热生活用热水.此方式设备简单, 第19卷 第4期 2003年8月 哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报(自然科学版) Journal of H arbin University of Commerce N atural Sciences Edition Vol.19 No.4 Aug.2003 换热效率大,加热后的热水能达到较高水温,但储 热水箱必须和热泵组合在一起,系统安装有一定困 难. 间接加热方式是将冷
7、凝器的热量先传给中间 介质 循环水,再由循环水通过换热盘管加热水 箱中的生活用水.这种方式的优点是储热水箱和热 泵分开设置,不影响热泵供冷、 供暖系统的安装,但 由于间接换热的热损失,使整个系统的加热效率受 到一定程度的影响.作者实验所用热泵供热水系统 采用第二种方式,系统原理如图1所示. 1 热泵;2 管道泵;3 接用户;4 储热水箱; 5 热交换器;6 膨胀水箱;7 累积流量计; 8 转子流量计;9 水银温度计;10 联箱 图1 土壤源热泵系统原理图 Figure 1 Schematic diagram of around source heat pump system 图1中实线部分为夏
8、季制冷工况设备连接示 意图,虚线部分为冬季供热工况、 过渡季供热水工 况的设备连接示意图.夏季制冷运行时,地下垂直 埋管与冷凝器相连接,室内冷冻水管与蒸发器相 接,通过制冷剂循环,不断地将室内热量释放到地 下低温土壤中;冬季供热、 过渡季供热水运行时,地 下垂直埋管与蒸发器相连,室内供热水管与冷凝器 相接,通过制冷剂循环,从地下土壤中吸取热量向 室内(储热水箱)提供.系统通过相应阀门的启闭完 成不同运行工况的转换,以满足供冷、 供暖、 供热水 等不同要求,最大限度地利用了设备. 热泵供热水装置的工作过程如下:先将系统运 行方式转换到热水供应工况,在储热水箱充满水的 情况下开启热泵;随着热泵的运
9、行,安装在储热水 箱底部的换热盘管开始加热,水箱底部水温逐渐升 高,由于自然对流的作用,整个水箱中水温逐渐上 升,当控制层水温达到设定温度时,加热完毕热泵 暂停工作;使用热水时,热水从水箱中部送出,同时 补充自来水从底部流入,储水箱中水温降低,当控 制层水温降至设定温度时,热泵再次启动,如此循 环. 2 实验装置及测试系统 采用美国Copland公司生产的活塞式土壤 水 热泵,制冷剂为R22.循环水泵为法国产MK L25管 道泵,转数分3档,高档为2 600 rmin ,功率为65 94 W.供热水箱外形尺寸为2 000 mm1 300 mm 800 mm ,内置铜质盘管热交换器.地下垂直埋管
10、式 热交换器为40 mm4 mm的聚乙烯塑料管,埋深 53 m ,环路总长110 m ,换热面积13.82 m 2 . 实验装置测试系统分温度测试系统、 流量测试 系统和电功率测试系统3部分.温度测试系统由温 度传感器、 数字电压表、 巡检器、 数码转换器、 计算 机与打印机组成.流量测试系统由IO卡、 放大电 路、 流量计及计算机组成.电功率测试系统由DF 型集中式电能表、RS - 232接口及计算机组成.实 验装置测试系统可以实现对温度、 流量及各种设备 的耗电量进行全自动循环测试,并实现自动控制. 3 实验及其结果分析 3.1 储热水箱保温性能检测 为检测储热水箱的保温性能,须确定储热水
11、箱 的散热量. 根据传热学原理,储热水箱的散热量按如下公 式计算 Q散=KF(tk-to)=wVwCw(t1-t2 ) . (1) 式中:K为储热水箱的平均传热系数, kW (m 2 ) ; F为储热水箱的表面积,m 2 ; tk为测试期间储热水箱的的平均水温,; to为测量期间环境温度,; 为测量时间,s; w为水的容重,kgm 3 ; Vw为储热水箱容积,m 3 ; Cw为水的比热,kJ (kg ) ; t1为测量开始水温,; t2为时间水温,. 由式(1)可知,在已知储热水箱的表面积、 容积 及水的比热、 容重的条件下,在一定时间内通过测 量环境温度、 储热水箱水温,可确定出储热水箱的
12、传热系数及储热水箱的散热量. 在环境温度为10.75,热泵停止工作5 h ,测 得储热水箱内热水水温由45. 20 降至43. 86. 由式(1)求出储热水箱的散热量为38 W ,确定平均 084哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 第19卷 传热系数为K= 2. 92 W (m 2 ) , 其中tk= 0. 5 (45.20 + 43. 86) = 44. 53,F取水箱有效内表面 积9.79 m 2 . 水箱的平均传热系数较大,主要原因是热水箱 顶盖是活动的,并且在铺设自控设备时密封不良等 原因造成的.但从一天24 h的测试结果看,储热水 箱的热损值 5 % ,满足要求
13、. 3.2 热水供应实验 利用热泵供热水装置进行了24 h连续运行实 验,得到稳定负荷下全天24 h的热水温度曲线(控 制温度层 ) , 如图2所示. 图2 热水温度曲线 Figure 2 Temperature curve of hot water 由图2可见,在未启动热泵时,控制层水温略 有下降的趋势,这是由于储水箱散热造成的;当用 热水时,储热水箱中的控制层水温下降较大,最大 下降温差为4.8,但系统的最低水温仍能保持在 40 以上,热泵供热水装置满足用户要求. 3.3 系统日平均性能系数的确定 热水供应系统的性能系数由下式确定 COP= Qk N .(2) 式中:Qk为系统制热量,kJ
14、 ; N为系统耗功率,kJ. 系统制热量由下式计算 Qk=GmCx(tm1-tm2 ) . (3) 式中:Gm为中间介质即循环水流量,kgs; Cx为循环水比热,kJ (kg. ) ; tm1为循环水进盘管的温度,; tm2为循环水出盘管的温度,. 功率包括压缩机的耗功率和循环水泵的耗功 率,由电功率测试系统测得. 测试期间室内平均气温14. 5,忽略管道的 热损失,认为系统制热量Qk即为水箱放出的散热 量和用户用热量.选取热泵供热水系统连续10 d 稳定运行工况的实验数据,得出系统的性能系数曲 线如图3所示. 图3 系统的性能系数曲线 Figure 3 Performance coeffic
15、ient curve of system 从图3中可以看出:COP的数值变化比较平 稳,说明土壤源热泵供热水系统工作性能稳定;系 统的平均制热系数为3. 55 ,最低值也高于3. 0 ,说 明利用土壤源热泵提供生活热水可以获得较好的 经济性效益,并可节能. 4 结 语 (1)利用热泵供生活热水系统可以获得较高的 性能系数,具有显著的经济性和节能性. (2)用户可根据需要,自动调节系统的运行工 况,有利于提高热泵的利用率. (3)本实验所用供热水系统是在原有土壤源热 泵供热、 供冷系统基础上改装而成,此方法也同样 适用于其他型式的热泵. 参考文献: 1 ANDREWL , CARL C H. D
16、isaggregating Residential Hot Water Use J .ASHRAE Trans ,1996 ,102 ,Part2:2566 - 2688. 2 VOTISIS P P ,TASSOU SA , WILSON D R. Dynamic Characteristics of a Heat Pump SystemJ . International Journal of Refrigeration , 1992 ,l15:456 - 512. 3 张开黎.垂直埋管土壤源热泵的供热供冷研究D.工学硕士 学位论文,2000 184第4期 张喜明,等:土壤源热泵供热水装置的实验研究