英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
地表水源热泵性能的实验分析
摘要 热泵如果被应用得当，将有望产生巨大的能源和经济效益。最新法规将热泵定位于可再生能源，因此热泵近期重新被人们关注起来，特别是将地热能源作为热源或者散热器颇具前景。当不能使用地热交换器和井水时，充足的地表水也可以用于热泵。本文分析了一个安装在威尼斯历史中心的地表水源热泵的性能，它使用泻湖的水作为热源，用作酒店历史建筑的暖通空调设备。热泵的特点和采用的技术方案以及建筑设备系统的年度监测结果都在这里进行了说明，实验数据还允许与在相同操作条件下模拟替换设备进行性能比较。为此，考虑了相应的空气源热泵和基于冷凝锅炉和风冷机组的传统解决方案的两个案例研究。性能分析表明，地表水热泵具有明显的优越性。
关键词：供暖通风与空气调节，地热，地表水热泵，可再生能源
1 引言
为了实现《京都议定书》关于减少化石燃料消耗和二氧化碳排放的目标，除了提高能源效率和节约使用能源外，可再生能源的广泛应用同样至关重要，诸多国家和国际组织为实现这一蓝图制定了能源行动计划，特别是欧盟重新制定了《建筑能效指令》。欧盟将重点放在了建筑能耗，通过推广使用可再生能源来满足巨大的建筑能源需求，以在2020年之前实现20-20-20的目标（以1990年为基准，排放量减少20%，能效提高20%，通过可再生能源发电量增加20%）。实际上，热泵从室外环境中吸收的空气热能、地热能或水热能都被认为是可再生能源。
相对于空气源热泵，地源热泵(ground source heat pump，简称“GSHP”)的温度随季节性变化较小并且能效更高，受到格外关注。ASHRAE[4]将地源热泵细分为三类，分别为利用井水、利用地表水或通过热交换器直接与地面相连这三类热泵。以地表水作为热源的热泵通常具有显著的优势，例如初始成本低，不需要表面积。以井水为热源的热泵通常具有杰出能源性能[5，6],但是诸多的因素却限制了它的广泛应用，除水源有限以外，还涉及触犯公共法规或水质要求的问题。在这种情况下，地表水热泵可能是位于重要地表水体(如河流、湖泊或海洋)附近建筑的有效替代方案[7-9]，地表水源热泵在容量较大情况下，通常首选开环系统，此时水从地表蓄水层通过热交换器泵出，并在离取水点一定距离处排出[10]。
虽然海水温度会受到室外空气和洋流的不利影响，但是地表水源热泵的方案在沿海城市仍然受到青睐。特别是地表水源热泵与空气源热泵相比，即使在气候恶劣的时候[11]，水源巨大的热惯性，垂直分层和盐度导致较低的冻结温度，为地表水源热泵方案的实施提供了可能性。在空调行业中，地表水源热泵的优势已经被非常清楚地凸显出来[12]。以上这些因素促进了关于海水源热泵在地区供暖和制冷中大规模应用的研究[13,14]。将下一个示范项目中使用的设计工具已经进行了详细说明[15]。
本文分析了一个安装在泻湖沿岸城市威尼斯的地表水源热泵的案例。由于设备的安装地点在历史中心，必须严格执行景观和历史遗产的保护法规，因此最常规的解决方案往往不可用，例如，太阳能热电厂或光伏发电厂通常是被禁止的，既然如此，我们有必要将研究方向转移到特定的自然环境背景提供的其它可再生能源方案上。由于威尼斯的泻湖是地中海地区最大的湿地，湿地的大型地表含水层通过三个进水口与公海相连，并受到潮汐影响，水位变化很大，尤其是在秋季，该市大部分地区经常被洪水淹没，因此威尼斯具有非常充足的水源，采用水源热泵方案或许是一项十分明智的选择。但是因为威尼斯的土壤是一个由多个片层组成的脆弱系统支撑的，有地面下沉的危险，所以在威尼斯通常不允许使用井水，因此，无法使用以井水为热源的地下水源热泵；此外，为了保证地源热泵的性能需要大面积的地热交换器，因此，在这种情况下不可能安装通过热交换器直接与地面相连的地源热泵。实际上,威尼斯靠近泻湖，有充足的地表水用于热循环，从而能够保证热泵的热平衡，并且从上世纪60年代开始，工业用水的减少使得有害废水排放下降，保证了水源的清洁，这些有利条件都为地表水源热泵方案提供了可行性，因此在这种特殊情况下，人们最终采用了以泻湖水作为热源的地表水源热泵的方案：人们在一所威尼斯历史建筑——十字架修道院中安装了一个与泻湖相连的地表水源热泵。并且还根据对建筑设备系统的监测数据，对设备第一年运行的节能性能进行了分析。
2 十字架修道院和设备
2.1 建筑描述
修道院是在12世纪中叶由十字勋章获得者紧邻圣玛丽亚阿苏塔教堂建立的，目的是为前往圣地的朝圣者和十字军提供帮助和庇护，后来它变成了一所由耶稣会士管理的学校，然后在拿破仑时期成为一个兵营。现在的教堂如图1所示，教堂南面的部分进行了彻底的整修，南区左侧有两个回廊，右侧还有两个更小的服务庭院，教堂的正面朝向Campo dei Gesuiti的主干道，背面连通Rio dei Gesuiti河道,左边是圣玛丽亚教堂，右边是一个小通道。该建筑群周边有三栋总高度为26米的高大的建筑。两栋低层建筑位于中心部分，围绕着回廊和庭院。因为十字修道院具有极高的历史价值和建筑价值，所以它受到严格的保护。
如今这一片区域是城市现代化建设的阻碍，也是学生和客座教授的大学住房和辅助服务的目的地。具体地，它为学生提供了177套宿舍，每套宿舍都有两个床位、独立的浴室、厨房和学习区，同时也为客座教授提供了32个住宅单元。此外，它还提供了洗衣房、会议室、教室和工作室等设施供内部人员使用，并面向当地社区开放社区服务，如咖啡厅、餐厅及相关厨房、健身房、电脑室和图书馆。
图 1
2.2 暖通空调设备的概述
在住宅单元中，暖通空调设备由受控通风系统和双管风机盘管组成，盘管被嵌入家具中供给热水或冷水，并利用吊顶和覆盖墙设计，将桌面和衣柜等家具整合在一起；在楼层较大的房间中，暖通空调设备由风机盘管和空气分配主管道组成；在酒吧和餐厅则各有一个通过热水或冷水进行工作的专用空气处理装置作为暖通空调。整个暖通空调设备由建筑管理系统进行需求控制和监督。
暖通空调设备位于两个庭院左侧的塔楼内和两个庭院地下最宽的一个房间里。在这里人们安装了一个可逆水装置，连接水热泵用来产生冬天供暖所需的热水或者夏天制冷所需的冷水。使用后的泻湖水需要通过高效的清洁过滤器（图2b）处理后从位于后侧的Rio dei Gesuiti水道中排出（图2a）。在威尼斯，过滤清洁泻湖的水是一件十分重要的工作。由于有来自河流的淡水输入，所以Crociferi附近泻湖水的盐度随潮汐而变化，通常不到地中海水的三分之一(36克/升)。但是在威尼斯的历史中心很少有下水道，垃圾都是直接流入运河，此外，海藻、污泥、沙子和通过密集的船只运输城市垃圾，都导致了河流中污垢物质的增加，因此由河流输入泻湖的淡水十分脏，而通过这套清洁过滤装置可以有效的降低泻湖水资源的污染。
除了上述设备外，塔楼内还安装了以下部件：一台配有100千瓦涡轮机的热电联产（热电联产技术CHP）的三联产设备，一台110千瓦的吸收式制冷机，一个用于热泵的蒸发塔，一个用于热电联产的紧急散热器，四个总容量为的回收热量的储存罐。在冬季，回收的热量通过安装在地下房间的两个各的水箱用于产生家庭热水(生活用热水DHW)并用于供热。此外，塔内还有两台冷凝锅炉，每台容量为450千瓦，最终用于辅助供热和生产生活用热水。
图 2
3 地表水源热泵
3.1 热泵描述
图3展示了地源热泵系统的功能图。如图所示，人们在地下房间中安装了热泵和用于泻湖水回路的热交换器。实际中，为避免污染机器内部的热交换器，平板热交换器是被插在泻湖水循环回路和热泵回路之间的，而且由于缺乏空间，房间内只能安装一个热泵。当蒸发器中的水温从7℃降至4℃或者冷凝器中的水温从40℃升至45℃时，热泵的容量为610千瓦，在制冷模式下，当冷凝器中冷却水的温度下降30–35℃和已经冷却的水在蒸发器中温度从12℃下降到7℃时，热泵的容量为580千瓦。本套设备的冷凝器和蒸发器是管壳式换热器。蒸发器的管子被浸没在制冷剂流体R113a中，并且有一个节能装置来冷却制冷剂，此外，制冷剂还与离开蒸发器的蒸汽进行热交换，从而增强了它的冷却能力。本套设备的可逆热泵仅有一个配备有半密封螺杆式压缩机的制冷回路。螺杆式压缩机有一个油压驱动的控制阀，通过滑动阀门作用于两个转子之间相互连接位置，从而达到调节冷却能力的目的。其制冷调节能力可从15%一直到最大值25%。该设备还配备了有助于调节容量的电子膨胀阀，尤其是在部分负载条件下调节效果更加显著。上述压缩机和膨胀阀的调节都是基于冷凝器和蒸发器中的入口和出口水温的设定值完成的。该机器还配备有一个基于使用新算法优化性能的控制系统，这种控制在部分负载操作中是非常重要的，尤其是它极大地限制了启动-停止循环的频率，这对于能量消耗、可移动部件的润滑和电动机的启动操作来说都是非常沉重的负担。图4展示了热泵在额定容量和效率方面的满负荷性能，以及在加热和冷却模式下蒸发器和冷凝器的进水温度的函数。效率性能方面如表1所示。这些数据来自制造商[16]，是按照标准试验方法[17]的要求实验获得。此外制造商还提供了计算欧洲季节能效比所需的部分负荷下的性能数据，该机器为6.79。这些数据是在相同的热条件下，分别在表1所示的满负荷容量的25%、50%、75%和100%条件下，通过实验室试验获得的能效比的四个值，然后取这四个值的加权平均值[18]就是欧洲季节能效比。而且通过这些值也可以计算满负荷时相应的能效比修正系数，这个系数被人们称为部分负荷系数，它代表了部分负荷运行的影响[19]。图5显示了PLF作为容量比的函数的趋势，该曲线是通过四个先前值之间的插值（25%以上）和用EN 14825[20]提出的简化算法计算（25%以下）得到的。该容量比一方面代表了相同的操作温度条件下，机器能够提供的最大容量与实际容量(等于负载)的比值；另一方面它还显示了加热和制冷模式下PLF的性能，因为制造商还提供了关于加热模式下四部分负载测试的操作数据，即使ESEER仅参考制冷性能而对加热模式不做要求。
图 3
图 4
图 5
3.2地表水源热泵系统的描述
图6展示了建筑管理系统中关于泻湖水抽排回路的截图。两个水泵从一个通过建筑围墙上仅存的古老开口与Rio dei Gesuiti相通的底层房间取水，并且为了方便进行定期维护，这个通过闸阀隔离的底层房间是可进入的。设备工作时，抽水工作是由两个水泵交替运行完成，并且通过变频器的速度控制获得可变流量，以减少部分负载下的耗电量，而且设备还可以通过水流的间歇反向循环对过滤器进行自我清洁。详细地说，就是水泵在运行一个小时后，有一个10秒的流量反转，用逆向水流冲走滤网上的过滤物，在此期间，泵的流量总是为最大值，以达到该步骤的良好效果，事实证明，这种方法非常成功，在实际中，通过连续测量泻湖水入口和出口之间的压差，发现热交换器中结垢程度降低，这使得每个季节使用单一热交换器成为可能，考虑到清洗热交换器工作需要在地下房间之外的地方拆卸和运输换热板，非常的辛苦，但是使用这项技术后，人们仅需要在冬季或夏季结束时进行交换器的更换和清洁，极大的减轻了后期维护的工作量。由于对地表水的利用可能会导致温度变化超过3摄氏度，所以现行法规禁止对地表水进行热利用，而且规定出水温度也不能超过30摄氏度。因此，在夏季，当温度超过这些值时，就会停止抽水
并且蒸发塔开始散热，以确保制冷机的运行。设备的每个热交换器的尺寸根据最恶劣条件确定，即在夏季，泻湖水的最大温差为27至30℃，这相当于冷凝器侧回路一定量的水温下降30–35℃。在冬季，水温低于一定值时无法抽取泻湖水，将导致无法达到设计机器时选择的高效率，此时需要用防冻剂混合物代替代替纯净水作为换热器二次回路中的传热流体，这样可以避免冷却器性能降低，尤其是在需要时，这种热流体还会被送到蒸发塔。此外，在冬季应确定最低运行温度，以防止在热交换器次要面的蒸发器出口这样的关键节点冻结。因此，在设计阶段，在最大负荷条件下，选择入口泻湖水的最低温度为8℃，最大回流温度为5℃。选择的热交换器尺寸允许在这些条件下蒸发器侧回路中的热降为7–4℃。而当泻湖水温低于8℃时，将关闭热泵，此时的供热需求将由冷凝锅炉承担。实际中，如果使用在没有防冻液的情况下离开蒸发器的水，安装的机器的最低工作温度为3.3℃，但是在此温度下，机器停止之前，可以对热泵输出容量进行调节，通过降低蒸发器的水热降来保持机器运转。这一种控制模式已经在第一操作阶段被成功地测试，因此后来被正常应用。总之，通过对热泵的控制即使在泻湖温度低于8℃的情况下也能无风险地运行，因此泻湖抽水装置的运行现在直接由热泵的控制系统控制。在加热期间，水泵会定期开启，以便即使在部分负荷条件下热泵也能正常运行，并且在热泵关闭并且水泵停止抽水的情况下，仍按预定的时间间隔重复尝试(目前为每六小时一次)。
图 6
4 实验结果
由于生活用热水是通过热电联产和目前冷凝锅炉的热量回收产生的，因此不考虑生活用热水的能源需求，所以可逆热泵仅用于满足暖通空调的需求。建筑管理系统每5分钟测量并记录一次所有需要的数据，以验证每个房间的温度、湿度条件，并计算能量性
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[235556]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
