商业建筑蒸汽系统现状论文

【摘要】在能源消耗越来越大的当今社会，节能也成为各行各业关注的焦点。暖通空调作为建筑能耗的重要环节，节能已成为其基本诉求。节能时代的到来为建筑暖通空调设计者提出了挑战，就如何应对挑战本文分析了暖通空调设计的现状，并提出了节能设计的建议。下面是小编为大家整理的《商业建筑蒸汽系统现状论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

商业建筑蒸汽系统现状论文 篇1：

太阳能发电潜力及前景分析

中国太阳能利用前景广阔，目前太阳能产业规模已位居世界第一，是重要的太阳能光伏电池生产国。目前我国光伏发电规模化发展的基础虽已奠定，但技术上仍有提高空间。本文通过对平板型光伏电池与阵列、聚光型光伏发电成套设备，槽式聚光热发电系统。塔式聚光热发电系统等太阳能发电技术的论述，对太阳能发电潜力及其前景进行了深入分析，并初步指出了未来我国太阳能发电发展的主要方向。

太阳能发电现状

当能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始开发太阳能资源，从而寻求经济发展的新动力。太阳能作为一种可再生的新能源，日益引起人们的关注。从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展方向。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的10％以上，2050年达到20％以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中将占有一席之地。

中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是重要的太阳能光伏电池生产国。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。

目前，我国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障；京都议定书的签订，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，这些都为太阳能发电产业的发展创造了机会。

太阳能发电的主要技术

太阳能发电的主要形式包括：平板型光伏电池与阵列、聚光型光伏发电成套设备、槽式聚光热发电系统、塔式聚光热发电系统、槽式聚光集热助发电技术和混合发电系统。

平板型光伏电池与阵列

目前投入商用的平板型光伏电池主要采用单晶硅或多晶硅电池技术。通常由单个电池组件串联成电池串，若干个电池串再并联后进行封装，从而制成太阳能电池板。每块太阳能电池板的电池安装容量为150Wp至200Wp，即在理想条件下(阳光垂直照射，环境温度不超过25℃，光照度DNI数值达到一类地区或二类较高地区指标)，其直流峰值发电能力为150W至200W。通常情况下，为了保证发电量，太阳能电池板的安装容量要大于预期使用容量。一般条件下，安装容量需要设计为使用容量的1.3到1.5倍。

在欧美国家，太阳能电池板主要应用于独立的民居发电，安装容量一般为3kWp至5kWp；或者大规模公用建筑或商业建筑的屋顶或幕墙发电，其安装容量通常为lOOkWp至1000kWp。这种太阳能发电形式被称为建筑集成光伏发电，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)。

平板型光伏发电系统向直流负荷供电时，电池板阵列经汇线箱(盒)汇集后直接提供负荷用电；当与传统交流系统并用时，直流电源汇集后经逆变器产生符合交流电压、频率的单相或三相交流电，汇入用户的电源系统。将太阳能电池板阵列按照规划发电容量进行铺设，形成大规模平板式光伏发电系统，也可以建成大规模光伏电厂。根据国外已建成的大规模平板式光伏电厂经验数据测算，固定式安装的平板光伏发电技术，其每一MW安装容量需占地3.5英亩，约合21市亩。目前最大的平板式光伏电厂，规模不超过5MW。

平板型光伏发电系统，主要包括太阳能电池板、直流保护与汇集系统、逆变器、交流保护与开关系统、发电量计量、基础结构等部分。如果为大规模并网型电厂，还要考虑直流线路、交流线路、升压站等部分。平板式光伏发电系统光一电总转换效率大约为16％-18％。在该系统中，为了提高太阳光的发电利用率，可以采用单轴或双轴追踪系统，使阳光直射的时间加长，从而提高发电量。单轴追踪系统可以提高发电量约25％，双轴追踪系统可以提高发电量约40％。由于追踪系统需要驱动电池板根据太阳方位角旋转会产生阴影效应，所以占地面积将增加一倍左右。发电系统的单位成本约为每千瓦安装容量2万元至5万元，如果建设兆瓦级平板式光伏电厂，其线路成本将大大增加。综合考虑由于气候原因而造成的电池组件污物遮挡损耗、直流损耗、逆变损耗和电池板阵列场地线路损耗，平板式光伏发电系统每千瓦发电量的综合投资成本约为3.5万元至4万元。

平板式光伏发电系统结构简单、技术含量低、安装施工方便，且由于晶体硅材料价格下降，所以其成本呈下降趋势。但其发电效率低、运输不便、不便于维护，例如遇到风沙或降雪造成电池板表面遮挡后，需要较长时间进行清扫，影响发电效率，一旦电池板表面形成局部遮挡的“斑点”效应，将导致被遮挡的电池组件发热超温损坏，形成永久损耗。同时，如果采用平板式光伏发电技术建设大规模光伏电厂，其安装和线路施工时间大幅度延长，影响投资回报周期。另外，平板式光伏发电系统主要依赖于大量的晶体硅，成本取决于国际晶体硅材料价格，原材料主要掌握在极少数国家手中，而国内仅有加工企业，存在战略风险。

聚光型光伏发电成套设备

聚光型光伏发电技术，简称CPV(ConcentratedPhotovoltaic)，是最近几年迅速发展的大规模光伏发电技术，主要应用于兆瓦以上规模的并网型太阳能光伏发电厂。与平板型光伏发电技术相比，其受到青睐的主要原因是它的经济性、建设周期短、占地面积小、维护方便和对场地平整程度的要求不如平板型光伏发电系统苛刻。

CPV系统的发电核心技术是“多结光伏电池”(Multiple-Junction Cell)和“菲涅尔聚光镜”(FresnelLens)，同时采用高精度双轴太阳方位跟踪技术和液压驱动CPV模块对日系统。将较大面积的光照聚集在较小面积的电池表面，可以充分发挥光伏电池的转化效能，产生超过阳光直接照射在电池表面的发电量。在实验室条件下，一片6英寸平板电池可以产生2到3瓦电量，而经菲涅尔镜聚焦后同样面积多结电池则可以产生1000瓦电量。

根据目前国际上已投入商用的CPV系统测算，其光一电综合转化效能超过30％。根据美国最新安装的CPV系统计算，其平均每瓦发电量的投资成本约为3至4美元，即每

千瓦发电量的综合投资成本约为3万至3，5万元人民币，如果实现国产化，则可以逐步将成本降至每千瓦发电量投资2万元。下表是国外某公司生产的高聚光太阳能光伏发电设备主要技术指标，从表中可以看到，53千瓦发电设备，其年发电量为145-242kWh(一类优质太阳光照条件下)、预期寿命超过25年。

HCPV高聚光型太阳能发电设备主要技术数据

单独的CPV单元主要包括“菲涅尔聚光镜”、多结光伏电池和单元结构支架。菲涅尔镜用于将入射的太阳光聚焦到其焦点上，在焦点位置安装小面积的光伏电池组件，由支架将镜片和电池组合成为—个独立单元。若干单元组成一个模块(见下图)。

一个CPV系统包括CPV模块、基础结构、液压双轴驱动机构、光照及风速传感器、自动控制系统、直流线路和逆变器、并网控制和保护等部分。目前，最大的CPV发电设备单台容量为交流发电量53kW。

CPV发电设备一兆瓦发电容量占地面积为4到6英亩，大约30亩。适合于太阳光照度极高和较高的平坦、开阔地区。以美国为例，从洛杉矶地区开始直到加利福尼亚是美国大陆太阳能资源最优和较优的地区，CPV技术的年发电量比平板式技术要再高25％左右。

聚光型光伏发电设备光一电转化率高、抵御气候影响的能力强、对场地平整程度要求低、方便实现规模化、投资成本较低、对半导体材料的依赖程度低，安装周期短便于实现投资回报。同时，聚光型光伏发电技术成本和设备集中度比较分散，易于实现就地组装，也方便实现本地产业化生产，战略风险相对较小。但该系统基础施工要求高、完全依赖于大型机械安装，对安装施工队伍和运行维护人员的技术水平要求高，且不时需要进行专业化的系统调试。

槽式聚光热发电系统

槽式技术目前是聚光式太阳能技术(CSP：Concentrated Solar Power)中最为成熟的技术。在大规模荒漠太阳能发电应用中，槽式技术是最早被使用的技术，并越来越表现出其运行和成本方面的优势。目前世界上有超过400MW槽式系统正在运行，并且有350MW正在建设，而规划设计中的槽式系统大约有7GW。槽式太阳能热发电厂包括集热和发电两大部分，发电部分和传统的蒸汽发电相同。集热部分主要包括：抛物面槽形反光镜、热接受器、单轴追踪控制系统、集热器基础结构。目前有三种主要的槽式太阳能热发电厂结构：最简单的是仅在有阳光的条件下发电，另一种结构包含一套储热装置，第三种结构即前面提到的混合发电系统。建设一个IOOMW的槽式太阳能热发电厂，抛物面集热槽需占地约2883，388亩，包括7小时蓄热的一个完整槽式太阳能热发电厂，需占地约5706亩。

抛物面槽在白天连续追踪太阳，将阳光反射到安装在其焦点位置的接收管。接受管的设计使其能够最大限度地采集太阳能而尽可能少地损耗。热传导所用的媒介液体在接受管中循环，被加热到大约750°F(400℃)。在太阳能采集场地旁边，加热后的热媒经过热交换产生蒸汽从而驱动传统的蒸汽轮机发电。热能量可以储存在装有熔盐的储罐中，所以在没有阳光的情况下也可以发电，因而光热发电厂的工作可以部分地由电网调度。另外，可以通过太阳能集热场产生蒸汽，与一个现有的循环蒸汽涡轮机发电系统结合形成混合发电系统，从而减少对化石燃料的消耗，减少排放。

以目前在建的世界上最大的槽式太阳能热发电系统——美国亚利桑那SOLANA太阳能电站为例，其总规模为288MW设计发电量，该电站通过常规蒸汽轮机发电，和所占用的农田相比，减少用水约85％。电站“太阳能场”覆盖3平方英里，包括2700台槽式集热器，集热器规格约为25英尺宽，约500英尺长，约10英尺高。其储热装置可保证6个小时的无阳光发电。据悉该项目预期在2011年投产发电，APS(亚利桑那电力系统)将100％收购其所发电力。提供太阳能电力的同时，SOLANA太阳能电站还欲提供现代科技旅游观光服务。

塔式聚光热发电系统

塔式技术也是GSP的一种，通过分布安装在聚光塔周围呈环形排布的定日镜阵，将阳光聚焦反射到安装在塔顶的接受器。接受器内热转换媒介吸收定日镜高度聚集反射来的辐射能量并把它转化成热能，热能进一步转化成蒸汽从而驱动涡轮机带动发电机发电，其产生的热能同样保存在熔盐罐中。因为在塔式技术热循环过程中温度更高，其总体光一电转换效率可以达到25％。

目前建设的最大的塔式热发电厂是位于西班牙的PS20，装机容量为20MW，占地约1415亩。PS20之前，PS10已经于2007年投入商业运行。它的装机容量为11MW，包括624面定日镜，每面镜子的面积120m²，由各自独立的定日追踪控制系统控制，将太阳光反射到塔顶的接受器，聚光塔高115m。PS10的年发电量为24GWh。

在场地条件允许的前提下，可以在现有的常规热电厂旁，通过太阳能集热场产生蒸汽，与现有的循环蒸汽涡轮机发电系统结合形成混合发电系统，从而减少对化石燃料的消耗，减少排放。

结论

从光伏发电和光热发电技术对比来看，光伏发电的技术成熟度高，已成功投入商业运行的装机容量大，建设和投资规模灵活，可以分期扩展，但是由于采用直流发电、交流逆变并网运行方式，电能质量不能可靠保证，且由于其逆变设备的自保护功能，当网络故障需要电源支撑时无法调度，所以适用于就近消耗或者用于电网贴峰，尤其适用于季节性和时间性较强的民用、商业用电；光热发电的光电转换效率高于光伏发电，规模可以达到小型甚至中型常规火电厂的规模，具有规模成本优势，因为其采用常规发电方式，在电网端和传统火电厂相同，完全可以作为上网电源；在有场地条件的情况下，光热转换产生的热能可以与原有火电结合，用光热替代部分煤热或油热，组成混合发电系统，从而解决小火电厂的排放问题，如果认真规划、成功实施，有可能挽救部分小火电厂，使其继续发挥涡轮发电机组的效能。

光热发电的主要问题在于投资规模大，必须达到一定规模才能实现投资效益，技术的普及程度低于光伏发电，对水源有要求，建设周期长，系统的灵活扩展性能不如光伏发电系统。光伏发电技术中，平板式光伏发电适用于普通民居或公用建筑、商业建筑的峰时用电；而聚光型光伏发电设备适于大规模上网电厂建设采用。

作者：陈昊 王纲

商业建筑蒸汽系统现状论文 篇2：

建筑节能工程中暖通空调设计的探讨

【摘 要】在能源消耗越来越大的当今社会，节能也成为各行各业关注的焦点。暖通空调作为建筑能耗的重要环节，节能已成为其基本诉求。节能时代的到来为建筑暖通空调设计者提出了挑战，就如何应对挑战本文分析了暖通空调设计的现状，并提出了节能设计的建议。

【关键词】建筑节能；负荷运作；变频技术；智能

一、建筑节能工程中暖通空调设计的现状

随着建筑业的迅猛发展，我国建筑能耗占社会总能耗的比重越来越高，对建筑节能的需求越来越高。在建筑能耗当中，暖通空调系统作为办公楼、住宅的能耗大户，直接影响着建筑物的整体能耗。优良的暖通空调设计能够大大降低能耗，但是当前很多暖通空调设计人员在设计过程中存在一些问题导致无法降低能耗。一是在工期紧张的暖通空调工程中，设计人员没有做好前期的资料掌握工作，对于暖通空调设计条件掌握的不全面，没有开展详尽的分析和比较就进行了简单的设计，这样的设计方案无法降低能耗甚至会存在较大的漏洞，如风管弯头过多、局部阻力损失过大、压力不平衡，这些问题的存在会引发能量分配不均匀，进而导致房间空调冷热不平衡问题，无法满足供暖需求。二是一些设计人员在确定负荷值时选择了估算的方法，估算后也没有根据建筑的具体情况及时对设计方案进行调整，导致了能源利用效率的低下。三是新技术应用过少，目前我国建筑工程的暖通空调相关技术发展非常迅速，但是设计人员对于新技术的认识和理解不够存在应用少喝应用不当的文艺。例如建筑物采用的是隔热性能差的材料，在这种建筑中进行暖通空调设计时应当选择相对成本较大的微气候空调设备，然而在设计过程中由于受其它因素影响而没有应用高性能的空调设备，导致空调设备无法满足建筑使用需求。

二、建筑节能工程中暖通空调设计要点

（一）保证室内设计计算温度取值的准确

在建筑工程暖通空调工程设计中，一些业主对于专业的暖通知识不了解，认为室内温度标准越高越好，而一些设计人员也为了保守起见，在计算冷热负荷时对于室内设计计算温度取值标准过高进而导致能耗大大提升。因此，在设计过程中要保证室内设计计算温度取值的准确性，按照标准进行设计完全可以满足暖通需求。

（二）空调设计的合理性

不同的暖通空调情况不同，我们应当在复杂多变的暖通空调工程中，根据工程的实际情况在降低成本的情况下采取合理的设计。例如我们在送风模式的选择时，要因地制宜，如果建筑需要容纳的人员密度很大，空气流通性差，设计师就应当选择新风需求控制；如果是冬季供暖不足的情况，最好不要选用分层空调系统，分层空调系统无法达到冬季节能需求。

（三）暖通空调系统中的部分負荷运作

暖通空调系统的部分负荷运作是一种常态，所以我们在选择制冷主机选型时，将多台冷水机组中的一个设置成为变频机组，该设置使暖通空调在部分负荷运行时实现负荷的调节，从而节能。暖通空调系统在自身部分负荷运作时能耗较高，在暖通空调中设计COP系统（COP即是指能量与热量间的转换比率），这个系统的应用能够随着外界环境温度变化自动调节，从而实现节能。

（四）采用配有能量回收装置的空调器

在暖通空调设计过程中我们经常发现一些业主需要将空调系统设计成直流系统来满足一些特殊的需求（如制药厂此类房间很多），但是这样的项目中排风和室外新风之间的温差在冬季和夏季的却别特别大，并且此部分的排风存在部分污染物，无法进入到空调系统，这种情况下需要对排风进行显热回收。回收可以通过以下方式实现：一是制冷机冷凝热回收。一般情况下使用蒸汽压缩式制冷机组或空气源热泵产生的冷凝热热量是机组制冷量1.15—1.3倍，为了获取空调用冷量消耗了大量的电能，这个过冲的热能被浪费了，而且会环境影响不利。我们采用制冷机冷凝热回收热量并将其制成生活热水，虽然增加了设备成本，但是减少了环境污染，2年以后成本可以回收，从长期来看能够实现节能。二是空气热回收。存在转轮式、板式、板翅式、热管式、中间热媒式等暖通空调系统中，采取空气热回收可以实现50%～70%的显热回收效率，全热回收效率在70%～85%之间。解读《通风空调系统运行管理规范》我们发现在以下情况时需要设热回收装置：应当设有集中排风系统的风量≥3000m3/h的直流式空调系统，当新风与排风的温度差≥8摄氏度时；同时应当设有集中排风系统的风量≥1000m3/h，新风比≥40%的空调系统，当新风与排风的温度差≥8摄氏度时应当设有独立新风和排风的系统。

（五）引入变频技术

目前，交流变频器已被广泛应用于建筑物以及基础设施系统中的各种暖通空调系统和水加压设备中。建筑物HVAC系统一般都装有风机、水泵、制冷压缩机和空气处理单元等设备，所有这些都需要使用到电机，使用定制化变频器产品，可提高建筑物内部的空气质量和室内舒适度，改善控制，节约能源，确保更高的资产保护级别，降低维修成本，提升稳定性。这些HVAC设备的日常负荷波动相当大，采用电动机变速控制是减少成本的较有效的措施之一。

变频器在HVAC系统中的应用主要是针对风机和泵类。以典型设备冷却水泵和冷却塔风机为例，中央空调冷水机组进行热交换，冷却水泵将热交换后升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷水机组。冷却水泵的功率是根据空调冷冻机组的压缩机满负荷工作设计的，若环境温度及各种外界因素使得冷冻机组不需要开启全部压缩机组，此时空调的冷凝系统所需要的冷却量也相应地减小，这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速，降低冷却水的循环速度及流量，使冷却水的冷负荷被冷凝系统充分利用，从而达到节能目的。

（六）采用智能化空调系统

建筑采用智能化空调系统，并根据实际情况进行优化设计，可以实现以下目标：（1）通过对暖通空调系统的多样化设计方案进行分析，选择最佳的结构和参数，进而降低能耗；（2）能够对暖通空调系统和他的运行过程开展定量化的状态模拟，进而减少控制环节，保证暖通空调运转的可靠性和稳定性，减少故障的发生，从而使系统响应输出最优化；（3）采用智能化系统进行空调系统节能设计不同于墙体结构、门窗的形式和设置的改造的“被动节能”，是一种有准备的、有针对性的设计。综上所述智能建筑暖通空调的要是，所以我们在设计过程中对智能建筑的分析和评价应坚持节能的原则，确立智能建筑暖通空调系统能量管理与控制系统优化的基本出发点、优化原则及技术措施。智能建筑采用的智慧节能管理系统一般是基于物联网、移动互联、云技术的智能化节能系统平台。它包括空调节能的云遥控器和云温控器、灯具节能的云开关、电器节能的云插座等电器智能化产品，采用现场和云端双平台架构，既可实现不受空间时间限制的集团性广域网统一管理，也可在无外网的情况下对局域网内设备进行管理。均可采用Zigbee无线接入，不用布线作业，施工简单，在既有建筑节能改造中，直接替换原有温控器、开关、插座即可。让节能与互联网有机的融合，解决建筑节能的智能化难题。

三、结束语

绿色建筑规模化要求暖通空调设计坚持节能原则，做好设计前的资料整合工作，加强相关计算工作，采取多样化的节能措施实现暖通空调节能，成为绿色时代中一支强有力的节能力量。

参考文献：

[1]黄柯.商业建筑节能工程中暖通空调设计的探讨[J].民营科技，2012（7）：265-265.

[2]郭福利.暖通空调系统节能在建筑工程设计中的问题及对策研究[J].河南科技，2013（7）：167-167.

[3]韦爱霞.对建筑节能工程中的采暖通风设计方法的分析[J].低碳地产，2016，2（7）.

作者：杨红姗

商业建筑蒸汽系统现状论文 篇3：

地源热泵空调的应用设计

【摘要】 随着能源和环境问题的日益突出,以节能和环保为主要特征的地源热泵技术在整个空调行业具有良好的发展势头 。这一技术目前还不甚广泛,正处于起步阶段,在设计和应用中存在一系列期待解决的问题,但作为一门新技术,它为国家的可持续发展带来了契机。

【关键词】 地源热泵;节能;环保;空调

一、引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用自然资源,保护环境,减少常规能源消耗,已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。地源热泵空调系统通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

二、地源热泵空调系统

地源热泵(Ground source heat pump)是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷,夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用;冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样,通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换,其原理(如图1)。

三、地源热泵优点及应用现状

地源热泵由于其技术上的优势,推广这种技术有明显的节能和环保效益,主要具有以下优点:(1)地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%,节能、运行费用低。(2)地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。(3)开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房,无燃烧、无废弃物,没有任何污染,不会影响环境质量。(4)地表浅层地热资源量大面广,无处不在,它是一种清洁的可再生能源。

随着地源热泵技术的进步,到2000年底,美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用,每年约提供8000～11000Gwh的终端能量。我国地源热泵空调系统的设计,主要包括两大部分:一是建筑物内的水环路空调系统的设计;二是地源热泵空调系统的地下部分的设计,即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。地下耦合热泵系统最早应用在1989年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼(4305m2,冷负荷4532kW,热负荷231kW),其技术和设备均由美国提供,使用情况良好。目前在我国来说,技术上比较成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的廠家也已达到二、三十家,因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准,国内厂家生产的产品质量差别较大,从有些厂家的产品样本来看,技术参数不完整、不准确。

四、地源热泵空调系统设计

1.地源热泵系统分类。地源热泵系统按其循环形式可分为:开式循环系统、闭式循环系统、混合循环系统。(1)开式循环系统。开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源,在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后,水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。(2)闭式循环系统。封闭循环系统是指冷(热)源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150～200英尺深或水平埋入地下4～6英尺处,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流体从地下抽取热量,带入建筑物中,在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。闭式循环系统是一种比较稳定可靠的常规循环系统,对地下水、地下环境没有污染,一般设计应优先考虑该循环系统。(3)混合循环系统。混合循环系统的地下换热器一般按热负荷来计算,夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。对于地下设计热交换空间不够充分,或垂直埋管困难等地下特殊情况,可考虑设计混合循环系统。

2.系统设计参数讨论。关于(冷)热源侧水流量,要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度、埋管材料、管径大小、当地地源条件以及机组的特性要求。一般如提高水流速度可适当增加换热系数,强化换热量,减小换热面积和换热管的耗材,但流速太快会增加循环水泵能量消耗,一般可取流速为0.65～1.5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计,其优化设计考虑的参数关系如下。复合能耗N=f(长度LLT、埋管材料Ma、管径D、地源温度Te,地源热指标Ke,机组特性Type)在机组选择上,设定地埋管进水温度,根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度,进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之,我国幅员辽阔,地处温带,在不同地区气候条件差异很大,其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果,而要开发适合我国气候特点的技术。

3.机组的设计。地源热泵的形式比较多,其中商用化最为广泛的是蒸汽压缩式热泵。以水-水系统为例,由一个室外机组和多个室内机组组成。该系统可以对每个空调室进行单独调节,满足各个空调室的要求,具有较好的节能效果。变频户式地源热泵空调系统加上独立的新风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调系统,因而其优化设计具有极其重要的价值。传统的制冷系统设计方法是基于经验加实验为主,通常经验设计方法简便易行,对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点,只适于产品的初步开发。基于理论预测的优化设计技术可以有效。

最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中,表征方案的一切独立变量为设计变量,最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量,即该指标为设计变量的函数-目标函数。在系统优化设计中,设计变量的取值常常受到种种条件的限制,即约束条件。变频户式地源热泵空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路系统组成。根据制冷系统热力学理论,利用参数动态分布、相互关联的方法,建立系统各部件数学模型和运行参数动态方程,组成系统运行参数的方程组,并对该系统进行动态模拟。模拟系统的动态特性,为优化设计提供依据。为满足空调系统的节能、热舒适性及制冷制热好的效果,空调系统的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时,分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求,利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算,从而达到针对不同地域的地源热泵系统的优化设计的目的。

4.地源热泵地下换热器形式与布设。土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。地源热土壤换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等,这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。下面就竖直埋管换热器的设计进行简单的探讨。

(1)竖直埋管材料和深度。埋管材料最好采用塑料管,因與金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点,可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管)、铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32、DN50等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定,可以从20m～200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,反之,采用浅埋。埋管间距一般以5～6m及以上,要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。

(2)竖直埋管换热器回填、灵敏度。竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同,回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。

(3)竖直埋管换热器中传热的衰减。竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。对于签埋管尤其严重。设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。由于埋管换热器的表面结垢等影响,设计时要考虑衰减,设定值应通过经济比较选择最佳状态点。

五、结论

地源热泵作为一种环保节能的空调方式,是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术,需要通过相关专业技术人员的通力协作做好地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面。近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及法国、瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

参考文献

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作者：梁晓华