地源热泵系统冷凝热回收在冷却除湿过程中的应用研究

3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.56MB 69 页 15积分

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地源热泵系统冷凝热回收在冷却除湿

过程中的应用研究

摘要

随着我国经济不断发展，人们对室内空气的温度、湿度等提出了更高的要求，

以满足生活和生产工艺等方面的需要。为了同时控制室内温度和相对湿度，传统

方法是将空气冷却至足够低的露点温度，再经过二次加热、加湿等手段分别处理

温度和湿度。这种方法控制简单，但由于冷热抵消引起的能耗是很大的，与目前

大力提倡的节能减排形势不符合。

本文从系统优化、减缓地源侧热堆积、节能等角度出发，提出一种带冷凝热回

收的地源热泵系统。本文首先介绍了涉及到的夏热冬冷地区的气候特征、地源热泵

及冷凝热回收技术领域的研究现状。然后针对所研究的带冷凝热回收的地源热泵

系统进行原理设计，绘制系统原理图，并对设计的带冷凝热回收的地源热泵系统

的特性进行理论分析，并依据中国建筑热环境分析专用气象数据集和室内状态点

计算了系统负荷，以此计算出了地埋侧土壤冬夏季吸放热不平衡率。然后使用瞬

时能耗模拟软件 TRNSYS，对此系统和使用辅助加热器的地源热泵系统进行了建

模，并且分别进行了露点送风工况，不降温除湿工况，降温除湿工况的模拟。完

成了制冷机组及水泵选型。对本带冷凝热回收的地源热泵系统进行电气及控制设

计，包括绘制电气原理图。最后在带冷凝热回收的地源热泵系统搭建完成后，对

其进行了除湿工况下和露点送风工况下的实验研究。

划分了空调系统运行区间，统计了各运行区间的小时数，通过模拟得出各区

间地源热泵系统的运行参数，并且实验验证了冷却除湿模式下模型的正确性，结

果表明，使用冷凝热回收的地源热泵系统制冷机组 COP 比使用辅助加热的地源热

泵系统制冷机组 COP 高0.6-0.8，在不降温除湿工况下要回收 50-7kW 的冷凝热，

冷凝器出水温度 27-30℃，在降温除湿工况下要回收 28-40kW 的冷凝热，冷凝器

出水温度 30-33℃，可以很好的再热处于露点状态的空气。

本课题为带冷凝热回收的地源热泵系统的实际推广提供了理论和实验基础。

关键词：地源热泵冷却除湿冷凝热回收再热 TRNSYS

ABSTRACT

With the development of China’s economic, the constant temperature and

humidity environment is needed to meet the specific requirement of life and production

process in many industries. In order to control the temperature and humidity, the

traditional means is cooling the air to dew point, then heating and humidifing the air.

This method is easy, but it consumes enormous energy and violates the slogan of

“energy-saving”.

From the system optimization, reduce ground-source-side heat accumulation and

energy-saving aspects, a ground source heat pump system with condensing heat

recovery is studied in this article. Firstly, the status of the fields of the related climate

characteristics of the hot summer and cold winter region, ground source heat pumps and

condensing heat recovery technology are introduced in this thesis. Secondly, the

principle of the condensing heat recovery with a ground source heat pump system is

designed. The principle diagram is drawn and the characteristics of the unit is analysed.

Thirdly use the instantaneous energy simulation software TRNSYS model the system

with condensing heat recovery and a ground source heat pump system with auxiliary

heater, simulated the dew point air conditions, no temperature drop dehumidification

condition, cooling dehumidification conditions. The refrigeration unit and pump

selection have been finished. The electrical and automatic control system of the ground

source heat pump system with condensing heat recovery is designed. Finally, after the

system have been built, operation condition such as dehumidifying mode and dew point

mode was carried out on the system.

The air conditioning system operating mode have been divided, the hours of each

operating mode have been calculated. Get the operating parameters of ground source

heat pump system in various operating mode by simulating, and verify the accuracy of

cooling dehumidification mode with the experimental results. Results show that the

COP of the refrigeration unit of ground source heat pump system will increase, by using

the condensing heat recovery, about 0.6-0.8, comparing the system using auxiliary

heater. The studied system can recycle about 20-40 kw condensing heat in no

temperature drop dehumidification condition, and the condenser outlet water

temperature is about 27 to 30 ℃, recycle 20-40 kW condensing heat in cooling

dehumidification season, and the condenser outlet water temperature is about 28-32 ℃,

the condensing water can reheat dew point air very well.

The study of the system provides a good reference for the ground source heat

pump system with condensing heat recovery in future.

Key word: Ground Source Heat Pump, Cooling D ehumidification ,

Condensing Heat Recovery，Reheating, TRNSYS.

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
1 研究课题的背景和意义.........................................1
1.1 我国空调能源消耗现状简述................................1
1.2 所研究的地域及气候特点..................................1
1.3  空调系统再热方式......................................2
1.4  地源热泵的应用及其地下（冷）热堆积问题................3
1.5 带冷凝热回收的地源热泵系统的提出.......................4
2 国内外研究现状及发展前景.....................................4
2.1 关于地源热泵冷凝热回收在国内外的研究现状...............4
2.2 关于地源热泵国内外的研究现状............................6
2.3 带冷凝热回收的地源热泵系统的发展前景...................7
3 本文主要研究内容.............................................7
第二章 带冷凝热回收地源热泵系统......................................8
1 地源热泵空调系统..............................................8
1.1 建筑物概况及负荷计算...................................8
1.2 热泵机组的选型.........................................9
1.3 地下埋管系统..........................................10
2 运行模式划分.................................................11
3 土壤吸放热不平衡率...........................................12
3.1 各工况下空气处理过程理论分析...........................12
3.2 土壤吸放热不平衡率的统计计算...........................15
4 带冷凝热回收的地源热泵系统工作原理及实验台介绍..............15
4.1 带冷凝热回收地源热泵系统的原理........................15
4.2 地源热泵系统实验台概况.................................20
2.2 电气及控制系统........................................21
2.3 数据采集系统及测试仪器................................23
5 本章小结.....................................................26
第三章 带冷凝热回收地源热泵系统的 TRNSYS 仿真........................27
1 地源热泵系统 TRNSYS 仿真.....................................27
1.1 TRNSYS 软件简介........................................28
1.2 地源热泵程序包的设置...................................29
1.3 地源热泵 TRNSYS 仿真使用的主要模块介绍.................29
2 带冷凝热回收及使用辅助加热器地源热泵系统的仿真模型..........43
3 模拟内容和结果..............................................44
3.1 模拟的内容.............................................44
3.2 模拟结果...............................................45
4 地源热泵系统的运行方案..................................52

5 本章小结....................................................52
第四章 带冷凝热回收的地源热泵系统制冷模式运行性能实验及数据分析.....54
1 实验内容....................................................54
2 实验数据分析................................................54
2.1 不降温除湿工况下使用冷凝热回收地源热泵系统的运行结果. .54
2.2 降温除湿工况下使用冷凝热回收地源热泵系统的运行结果. . . .58
2.3 露点送风工况下地源热泵系统的运行结果..................61
3 带冷凝热回收的地源热泵系统模拟结果与实验结果的比较...........62
3.1 不降温除湿模式模拟结果与实验结果对比...................62
3.2 降温除湿模式模拟结果与实验结果对比.....................63
4 本章小结.....................................................64
第五章  结论与展望..................................................65
1 结论........................................................65
2 展望........................................................66
参考文献............................................................67

第一章绪论

1.1 研究课题的背景和意义

1.1.1 我国空调能源消耗现状简述

我国是世界上人口最多，能源相对贫乏的国家之一，人均能源占有量仅为世界

平均水平的 40％，但能源消耗量达到世界消耗量的10％，总量居世界第二位。在

西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的 40%～50%，而我国建筑能耗已占全社

会总能耗的 20%～30%，且呈逐步上升趋势。建筑节能作为缓解能源危机的重要

途径已势在必行，而空调能耗又占建筑能耗的很大比例。国内空调能耗也每年正

在以惊人速度增长，2002 年全国电网空调制冷负荷共达 4500 万kW，相当于2.5

个三峡电站的满负荷发电量。2004 年空调能耗已占全国耗电量的15%[1]。2006 年

空调能耗已约占建筑能耗的二分之一[2]，2010 年，全国制冷电力高峰负荷比 2002

年增加一倍以上。由于空调的使用集中、使用季节性负荷大等特点，直接导致了用

电高峰电网压力大、电供应不足，加重了峰谷电量差距的矛盾。因此，减少空调能

耗是当前行业发展的首要任务。为了使空调行业走可持续发展的道路，有必要对

其技术进行创新。因此出现了很多新型空调技术，如地源热泵、水源热泵、冰蓄冷

空调等。地源热泵系统相较于其他常规的空调系统而言，一方面具有较高的能效

比；另一方面由于土壤热能作为一种可再生能源替代其他的常规能源，可以缓解

能源紧张的问题；此外，地源热泵系统同样也可以提供生活热水。因此，在我

国，采用地源热泵系统为建筑物提供空调及热水需求是有效降低建筑能耗的措施

之一。

1.1.2 所研究的地域及气候特点

长江流域作为横跨我国东中部的经济发展重心，由于其特有的地理条件而形成

了特殊的夏季气候，以上海地区为代表，环境气温 35℃以上天数约15-25 天，且

持续伴随较高湿度；该地区全年平均相对湿度 75%～80%，如图1-1 所示，尤其

在阴雨等湿闷气象环境时可达95%～100%。此外该地区，还存在环境温度不高但

湿度仍很大的季节性天气，如过渡季节及梅雨期等。因而，除湿在上海地区乃至

长江流域是重要的。对于长江流域夏季高湿环境下的建筑而言，为维持室内适宜

的热湿环境(温度 18℃～28℃，相对湿度 30%～70% ) ，换气新风所需含湿量约要

求达到8g/kg～10g/kg；因而除湿需求是长江流域空调处理过程的关键问题。采用

冷冻方式对空气降温和除湿，其吸收的显热与潜热的比例仅在较小的范围内变化

对于一般建筑室内的湿负荷变化不大，但显热负荷却容易随室外气候、室内设备

状况的不同发生较大变化，热湿比超出空气处理装置的可调范围。传统的处理中

以温度优先，这样不仅造成了能源的浪费，也影响了人体的舒适感。

地源热泵系统冷凝热回收在冷却除湿过程中应用研究

图1-1 上海地区月平均相对湿度

1.1.3 空调系统再热方式

在大部分一次回风空气处理系统里，建筑物冷负荷的降低，会导致空调系统

送风热湿比变化，这个时候可以使用再热来提高送风温度，实现温湿度精确控制

如果继续进行露点送风，将使室内状态点偏移（温度低，同时相对湿度高），如

果湿度过大，不仅会影响室内热舒适，还会导致室内物品易损坏。据统计，大多

数舒适性空调系统的湿负荷随季节变化很小，变化较大的是系统的热负荷。因此

采用再热是比较简单实用的，也是有必要的。下面简要介绍一下再热的方法：

一：使用电加热

电加热是一种比较简单的再热方式。电加热器的主要形式有裸线式和管式两

种，具加热均匀、结构紧凑、热量稳定、控制方便精准等优点。然而电加热方式除了

需要增加电加热器的设备投资外，还会消耗高品位能量——电能，去抵消等量的

冷量，而且热效率低，这是明显的能源浪费。目前在大型空气调节系统已经很少

选用。在小型空调系统、恒温恒湿系统和实验装置这种需要精确控制的场合，电加

热的使用较多。

二：使用锅炉热水和蒸汽

使用锅炉的热水或蒸汽对空气进行再热，在一般的酒店都有锅炉，只需要把锅

炉的热水或蒸汽通入再热段的换热器中即可，由于再热会产生冷热抵消现象，造

成能源浪费，因此在舒适性空调的场合，夏季都不设置或不允许设置以蒸汽热水

第一章绪论

为热媒的加热设备[5]。

三：直接使用冷凝器

使用废热作为再热的热源，可以实现节能的目的。空调系统的废热有排风中

的热量、冷却水所携带的热量和制冷系统的冷凝热。

使用制冷系统的冷凝热作为系统再热的热源，是一种节能的好方法。在蒸汽

压缩制冷循环中，冷凝热量大约是制冷量的1.2-1.3 倍，而且制冷系统的冷凝温度

一般在40℃以上，系统再热是把系统处理到露点状态的空气加热到送风状态。而

系统送风温度则在16℃左右，24℃[4]的温差是可以将冷凝热作为系统再热的热源

的，同时冷凝器也有足够的热量。如果使用这部分热量进行再热，在减少使用电

加热浪费高品位能源的同时，又有助于排掉冷凝热，从而提高系统的制冷系数[6]。

四：地源热泵系统冷却水

制冷系统在运行时，会产生大量低品位废热的冷却水，需要进行冷却。使用

这部分冷却水作为系统再热的热源，是一种很好的方法。万建武[5]对冷却水的水温

具有的热量以及冷却水再热管路的设计等方面进行了分析，认为采用冷却水作为

系统再热热源是可行的。成功的再热方案应结合设备的机构，考虑到设备的安装、

运行、调节等方面的因素。只有对原系统改变不大，并充分利用原系统的再热方案

才可以在实际中得到应用。而本课题提出的冷凝热回收，对原系统只有很小的变

动，设备安装、运行、调节方便。还可以减轻地源热泵系统地下热堆积。

1.1.4 地源热泵的应用及其地下（冷）热堆积问题

国内对于地源热泵的研究、应用虽然起步较晚，但发展相当迅速。根据建设部

公布的信息：截至2006 底，地源热泵技术应用建筑面积为 2650 万m2；截至

2007 年底，地源热泵技术应用建筑面积已接近8000 万m2；截至2009 年底，地

源热泵的应用建筑面积已达 1.39 亿m2，预计到 2020 年，我国的地源热泵市场规

模将比目前增长 5～8倍。虽然地源热泵近些年来发展势头良好，但在目前中国建

设的地源热泵项目中，一些地区对已建工程的冷热均衡研究及其对环境的影响缺

乏监控，造成地源热泵工程不能长期有效运行，其中最典型的问题是地源热泵地

下（冷）热堆积问题[7]。对于建筑物冬夏冷热荷差别较大的地区，地源热泵向岩

土体吸收和排放的热量存在着较大的差异。如果夏季供冷时空调系统向地下排放

的热量大于冬季采暖时地源热泵系统从地下吸收的热量，那么，地源热泵系统长

期运行的结果必然会导致岩土体的温度越来越高，使得夏季运行时地源热泵系统

运行的效率越来越低，最终导致夏季地源热泵系统不能正常运行，称之为热堆积

反之，如果地源热泵系统冬季从地下汲取的热量大于夏季向地下排放的热量，那

么，地源热泵长期运行的结果必然会导致岩土体的温度越来越低，使得冬季地源

热泵系统运行的效率越来越低，最终导致冬季地源热泵系统不能正常运行，称这

种现象为冷堆积。

地源热泵系统岩土体夏冬季热量收支不均衡在我国长江中下游地区及华南地

区主要表现为夏季向土壤释放的热量要远远大于冬季从土壤中汲取的热量，即热

堆积。这主要是由于：供冷季的持续时间及负荷强度要大于供暖季的持续时间及

负荷强度。以武汉地区为例，当地埋管系统排热取热的不平衡率为 45.8%时，系统

运行 5年后，当地岩土体的总温升达到9.8 ℃，难以保障夏季地源热泵系统的稳

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摘要：

地源热泵系统冷凝热回收在冷却除湿过程中的应用研究摘要随着我国经济不断发展，人们对室内空气的温度、湿度等提出了更高的要求，以满足生活和生产工艺等方面的需要。为了同时控制室内温度和相对湿度，传统方法是将空气冷却至足够低的露点温度，再经过二次加热、加湿等手段分别处理温度和湿度。这种方法控制简单，但由于冷热抵消引起的能耗是很大的，与目前大力提倡的节能减排形势不符合。本文从系统优化、减缓地源侧热堆积、节能等角度出发，提出一种带冷凝热回收的地源热泵系统。本文首先介绍了涉及到的夏热冬冷地区的气候特征、地源热泵及冷凝热回收技术领域的研究现状。然后针对所研究的带冷凝热回收的地源热泵系统进行原理设计，绘制系统原理...

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