地源热泵空调系统综合性设计性试验

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1、地源热泵 空调系统 综合性设计 性试验华中科技大学环境学院建筑环境与设 备工程专业一、试验简 介地源热泵诞热泵诞 生于20世纪纪80年代中期。地源热泵热泵 技术术是一项值项值 得大面积积推广的建筑供能技术术。地源热泵热泵 是一 种利用浅层层和深层层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源 作为为冬季热热源和夏季冷源，然后再由热泵热泵 机组组向建筑物供冷供热热的系统统 ，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调调系统统。抽取地下水的水源热泵热泵 ，由于技术术限制，全部回灌不易做到，监监督实实 施也比较较困难难，而且容易造成地下水污污染,推广使用受到限制。目前在国内外大面积积推广

2、使用的是埋管式地源热泵热泵 技术术，是充分利用 浅层层地热热的最佳技术术途径。目前埋管式地源热泵热泵 在欧美国家已得到普遍应应用，已被充分证证明是成 熟可行的技术术，在我国，建设设部和一些省市的建筑节节能政策中明确提出 要推广使用地源热泵热泵 。 （欧美普遍使用的是在别别墅中，在冬天取暖、夏天空调调的地区）据美国10年来的统计资 料，地源热泵 的运行费用（采暖）比耗电空调 节约 22%25%，比燃油、燃煤锅炉运行费用节约 40%60%。系统平均寿命预计 1518年，开式循环系统30年，闭式循环系统寿命 预计 50年。地源热泵 空调系统应 用类型二、试验 内容基于地源热泵 中央空调综 合实验 平

3、台，自行设计实验 条件与目的， 基本实验项 目必做，其它可选做，也可依据实验设计 增加新的实验项 目1、地源热泵 空调系统能效测定试验 空调水系统及热泵 机组冷却水、冷冻(热)水流量测量（基本） 空调水系统水温度、压力测量（基本） 空调系统设备 （热泵 机组、水泵、风机等）输入功率测量 空调冷热水系统的输送能效比(ER)实验 空调水系统水力失调率实验 空调风 系统风 量失调率实验 风机单位风量耗功率实验 热泵 机组能效比(EER) 、性能系数(COP)实验 热泵 机组的综合部分负荷性能系数(IPLV) 空调系统能效比、性能系数实验 空调通风系统能耗系数(CEC)实验、室内空调环 境气流组织 、

4、仿真、优化控制试验 室内温度场测 量（基本） 室内流速场测 量（基本） 室内气流分布特性实验（基本） 室内流场的FLUENT仿真对比实验 室内空调环 境气流组织优 化控制实验 地板辐射供暖实验 地板辐射供冷实验 舒适性空调通风系统运行效果评价实验3、地源热泵 土壤埋管换热 器系统性能测试实验 土壤埋管换热 器运行参数实时监测实验 （基本） 土壤埋管换热 器热物性测试实验 不同深度土壤埋管换热 器比较实验 不同型式土壤埋管换热 器比较实验 不同回填材料下土壤埋管换热 器比较实验 不同运行参数下土壤埋管换热 器比较实验三、主要实验设备本次试验中的三部分工作涉及到的主要试验设备 在 搭建的试验平台中

5、均有配备，包括：1、地源热泵中央空调综合实验系统2、地下埋管换热器系统3、地源热泵数据采集系统4、流量测量装置5、功率测量装置6、室内温度场数据采集系统7、室内气流数据采集系统8、埋管换热器热物性测试系统四、试验 原理与方法1、地源热泵 空调系统能效测定试验 原理 空调水系统及热泵 机组冷却水、冷冻(热)水流量测量运用涡轮 流量计、超声波流量计、电磁流量计、玻璃转子流量计等流 量测量装置对空调水系统及热泵 机组水流量根据实验设计 需要进行实 时测 量(详见仪 器操作说明及现场 操作示范) 空调水系统水温度、压力测量 运用地源热泵 数据采集系统对 水系统各点温度等运行参数进行实时测 量(详见仪

6、器操作说明及现场 操作示范) 空调系统设备 （热泵 机组、水泵、风机等）输入功率测量运用电能表、电参数综合测量仪、钳形功率表对空调系统设备输 入 功率进行实时 /累积测 量(详见仪 器操作说明及现场 操作示范) 空调冷热水系统的输送能效比(ER)实验 空调冷热水系统的输送能效比(ER)应按下式计算：式中： H水泵设计扬 程（m）；T供回水温差（）；水泵在设计 工作点的效率（%）。计算结果和空气调节 冷热水系统的最大输送能效比比较， 不 应大于最大输送能效比的规定值。 空调水系统水力失调率实验 空调水系统中各并联管路的实际 流量同设计 流量的偏差，与设 计流量的比值，按下式 计算：式中： 水力失

7、调率；Q实测 水流量，m3/h；Q0设计 水流量，m3/h。 空调风 系统风 量失调率实验风系统中各并联管路的实际风 量同设计风 量的偏差，与设计 风量的比值，按下式 计算：式中：风量失调率；V实测风 量，m3/h；V0设计风 量，m3/h。 风机单位风量耗功率实验风机的单位风量耗功率（Ws）应按下式计算：式中： Ws单位风量耗功率W/（m3/h）；P风机全压值 （Pa）；t包含风机、电机及传动 效率在内的总效率（%）。实验结 果和风机的单位风量耗功率限值比较，不应大于规定 值。 热泵 机组能效比(EER) 、性能系数(COP)实验 热泵 机组的能效比（EER）是指在名义工况下实测 制冷量与实

8、 测制冷耗功率之比，按下式计算：式中：Q实测 制冷量，W；W实测 制冷耗功率，W。性能系数（COP）是指机组在名义工况下实测 制热量与实测 制 热耗功率之比，按下式计算：式中：Q实测 制热量，W；W实测 制热耗功率，W。 热泵 机组的综合部分负荷性能系数(IPLV) 计算式和检测 条件如下： 式中：A100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度 30；B75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度26；C50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度23 ；D25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度19 。测量计算得到的IPLV和相关规定比较，不应低于规定值。 空调系统能效

9、比、性能系数实验式中：Q空调系统实测 制冷量，W；W空调系统实测 制冷耗功率（机组、水泵、风机等设备总 输入功率），W。式中：Q空调系统实测 制热量，W；W空调系统实测 制热耗功率（机组、水泵、风机等设备总 输入功率），W。 空调通风系统能耗系数(CEC)实验空调通风系统能耗系数CEC按下式计算：式中： 建筑物空调通风系统全年一次能源总耗量，包括全 部冷热源风机水泵的能耗量；假想建筑物全年空调负 荷累计值 ，包括采暖负荷、制冷 负荷和新风负 荷。对不同建筑物类型的空调通风系统能耗系数CEC的测算值和推 荐值作比较，评估节能潜力。、室内空调环 境气流组织 、仿真、优化控制试验室内温度场测 量在室

10、内三维空间上选择 5个断面，总共96个测点，每个断面测点个 数及布点根据实验设计 确定，采用PT100温度传感器及其数据采集系 统对室内空气和送回风温度进行实时测 量(详见仪 器操作说明)。室内流速场测 量运用室内气流数据采集系统对 室内任意断面的风速进行实时监测 ， 该系统由4套全向微风速/温度传感器及其数据采集系统组 成，并布置 在可移动台架上，可按实验设计 需要，对不同断面及不同高度的风速 和温度进行实时测 量(详见仪 器操作说明)。3 室内气流分布特性实验不均匀系数该法是在工作区内选择 n个测点，分别测 得各点的温度和风速 ，求温度和风速的算术平均值分别为 ： 风速： 温度：均方根偏差

11、分别为 ： 风速： 温度：则不均匀系数分别为 ：风速： 温度：其中 ， 愈小，则气流分布的均匀性愈好。空气分布特性指标空气分布特性指标（ADPI）定义为满 座规定风速和温度要求的测点 数与总测 点数之比。有效温度差与室内风速之间存在下列关系：式中 ET有效温度差；ti，tn工作区某点的空气温度（假定壁面温度等于空气温度）和 给定的室内温度，；ui工作区某点的空气流速，m/s。并且认为 当ET=-1.7+1.1之间多数人感到 舒适。因此，空气分布特 性指标则应为 ：在一般情况下，应使ADPI80%。换气效率定义空气寿命的表达式为：式中C0示踪气体（如CO2，F-12等）初始浓度；示踪气体瞬时浓

12、度；空气寿命。假定理想的送风方式为一“活塞”流，送入的新鲜空气量为L0，房 间体积为 V ，则该 房间换 气的名义时间 常数为：取房间内空气可能的最短寿命为 （考虑工作区高度约为 房间高 度的一半），并以此作为在相同送风量条件下不同气流分布方式换 气效果优劣的比较基础，得出换气效率的定义式为：即换气效率为可能最短的空气寿命与平均空气寿命之比。能量利用系数考察气流分布方式的能量利用有效性，可用能量利用系数 来表达，即：式中： 分别为 排风温度，工作区空气平均温度和送风 温度。 室内流场的FLUENT仿真对比实验对比试验 原理将借助于气流组织实验 室实际 模型模拟进 行。小 室的结构尺寸为6.75

13、4.62.8(m)；在北墙偏下方开设一送风口 ，尺寸为2.110.34(m)；在南墙偏上方开设两个回风口，尺寸均 为0.750.56(m)；为满 足负荷，在房间地板上设置有一离北墙 2m的尺寸为111(m)的发热 体。室内空调环 境气流场的仿真是借助于FLUENT的模拟进 行的， 一般的仿真过程分为Gambit中的模型建立部分和FLUENT中的模 型计算部分，大致包括：第一步：Gambit中的模型建立第二步：Gambit中的网格划分第三步：Gambit中的边界条件设置依据实际 要求，对给边 界作出边界的初步设置。第四步：FLUENT中的模型计算在Gambit中建立完成的模型将被存储为 .msh

14、文件读入FLUENT 计算程序，在计算程序中，经过 网格的检查 、平滑、显示，模 型类型和能量方程的选择 ，以及流体物理属性和边界条件的设置 以后，给定迭代次数和时间 步长即可以进行计算，计算过程由 残差图监 控：计算结果可以根据自身要求，得到不同坐标平面内的温度和速 度分布情况。例如，稳定态下的X-Y平面（Z2m）上的温度、速度分布图 ：温度分布 速度分布实际 的气流组织试验 可以根据情况设定不同的边界条件和室内 负荷情况的描述，建立新的模型进行计算，计算结果与实验 小 室内各温度采集点的采集数据以及利用风速仪测 定的气流速度进 行对比，通过这样 的对比检验 我们模型建立的正确程度。在此 基

15、础上，我们将可以描述实验 小室即末端系统中气流组织 的状 态以及温度、速度的分布特点。 室内空调环 境气流组织优 化控制实验通过对 温度场、流速场的实测结 果,室内气流分布特性实验 和模拟仿真结果的比较，调节 各参数以优化气流组织 ，再重 复（1）（4）步骤测 量、优化气流组织 。 地板辐射供暖实验用地板辐射供暖代替全空气系统的空调方式,建立相对稳 定 的室内空调环 境,进行温度场、流速场测 量实验 以及室内气流 分布特性实验 ,并利用红外热像仪测试辐 射供暖地板的温度场 。 地板辐射供冷实验用地板辐射供冷代替全空气系统的空调方式,建立相对稳 定 的室内空调环 境,进行温度场、流速场测 量实验 以及室内气流 分布特性实验 ,并利用红外热像仪测试辐 射供暖地板的温度场 ,计算空气露点。 舒适性空调通风系统运行效果评价实验温度评价（夏季、冬季工况二选一），室内温度测试 按照现行 国家标准公共场所空气温度测定方法GB/T 18204.13执行。相对湿度评价（夏季、冬季工况二选一），室内相对湿度测试 按照现