地源热泵中央空调系统优化及工程应用研究赵欣工程硕士论文.docx

赵 欣

通风与空调工程

环境与市政工程学院

目 录
目 录 I
摘 要 III
ABSTRACT V
第1章 序言 1
1.1地源热泵简介 1
1
2
4
4
6
6
6
7
7
9
9
9
10
10
10
10
10
12
13
13
16
3.1水-水地源热泵机组模型 16
3.2地源热泵系统模型 18
3.3系统模型验证 19
20
20
20
21
4.3.1 变频调速原理 21
4.3.2 变频调速的节能原理 21
4.3.3 变频调速技术的特点 22
4.3.4 22
24
24
24
24
24
24
25
25
25
27
5.5临沂公务段综合办公楼地源热泵中央空调系统机房及空调布置图 28
39
摘 要
地源热泵技术由于其高效、节能、环保的特点，近年来在我国的研究和应用得到较快的发展。地源热泵中央空调系统利用地下土壤或地下水一年四季温度比较稳定的特点，通过热泵循环，将其低品位能量进行传递和利用，在冬季向建筑室内供暖，在夏季带走室内热量，达到空气调节的目的。但由于种种原因，许多国内的工程未能达到预期效果，或者由于运行费用和投资费用的过高，违背了采用地源热泵技术实现节能和节约的初衷，挫伤用户对地源热泵系统的信心，严重阻碍地源热泵技术在我国的应用和推广。本文针对目前所存在问题对地源热泵系统优化技术进行了研究，主要包含以下内容：
1．热泵循环变工况模拟计算
为了对系统进行优化，须对热泵循环进行变工况研究，以达到系统与机组的最佳匹配。本文选用改进Petal-Teja(MPT)状态方程对制冷工质热力性质进行计算，利用本文编制的计算软件，可以对多种工质，包括R22、R134a、R152a及一些新的替代工质、混合工质进行循环计算，根据不同的井温度和流量，计算出热泵机组的性能系数、制冷量（供热量）、输入功率等参数。
2. 地源热泵中央空调系统优化模型的建立
本文提出一个综合经济性能参数，即总费用年金值作为目标函数，按下列方法确定：
= 系统全年运行费用+初投资年折旧率
优化的目标函数就是使得值最低： =
3. 地下水系统的优化
系统由三大部分组成，一是热泵机组，二是冷热源水系统，三是末端系统，系统的优化必须保证他们达到最佳的匹配。本文重点对地下水系统的优化及其与热泵机组的匹配进行研究。由于气温和建筑的使用情况在不断变化，对空调系统制冷、供暖能力的要求是动态的，利用动态平衡技术和变频控制技术，探讨一种新的控制模式，以达到热泵主机与系统的最佳匹配，提高热泵系统的节能效果。
4. 实际工程应用研究
济南铁路局临沂工务段综合楼空调面积约为3800㎡，采用舒适性空调设计，室内空调系统采用风机盘管加新风系统，冷热源采用打井抽取并回灌地下水的方法。利用本文开发的地源热泵优化技术，对地下水系统进行了优化，通过测试和统计表明，在一个空调和采暖周期内，直接节约费用75410元，如考虑到锅炉房专门人员的工资福利、燃煤储运费用等，年节约运行费用近十万元。而且，自备供暖锅炉取消后，由其产生的环境污染也彻底消除了。
本文在对地源热泵系统进行数值模拟计算的基础上，提出了基于综合经济参数为目标函数的系统优化技术，并进行了以地下水为冷热源的地源热泵系统优化计算和实际工程应用研究，为地源热泵系统的设计和应用提供了理论指导。

关键词：地源热泵；综合经济参数；优化技术
Abstract
第1章 序言
1.1地源热泵简介
地源热泵是利用地下浅层的低品质能源（包括蕴藏在地下水、土壤或地表水中的能量等），通过输入少量高品质能源（如电能），对建筑物进行空调、供暖以及热水供应的技术。由于地层之下一定深度即为恒温层，所以冬季可以将地能作为热泵供暖的热源，即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖，夏季将地能作为空调的冷源，即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。 地源热泵用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式，是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地源能利用的一个新发展方向。
⑴ 是可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源是一种低温位热能，就像一个巨大的太阳能集热器，地表浅层收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为一种清洁的可再生能源。
⑵ 为经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调运行效率要高40％左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户供热制冷空调运行费用的30－40％。
⑶ 环境效益显著
地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比减少40％以上，与电供暖相比减少70％以上，如果结合其他节能措施,那么节能减排会更明显。制造方面，地源热泵也采用制冷剂，但是其充灌量比常规空调装置减少25%;运行方面，由于无燃烧，无排烟，也不产生废弃物，既不需要堆放燃料废物的场地，也不用远距离输送热量，因此基本不会产生任何污染。可以放心的建造在居民区内。据不完全统计，美国2001年地源热泵的安装量达到了40万台，带来的环保效应是降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或植树1百万英亩，全年节约能源费用达4.2亿美元。
⑷ 一机多用，应用范围广
地源热泵系统除了可供暖制冷，还可同时供应生活热水，做到了真正的一机多用，一套地源热泵系统可替换原来的锅炉加中央空调的两套装置或系统。地源热泵的应用范围也非常广泛，可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，也适用于别墅住宅的采暖、空调0哦与热水集中供应。
⑸ 系统维护费用低
在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外恶劣气候的影响，因此地源热泵是免维修空调，节省了维护费用。
此外，地源热泵机组的使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人职守。
完整的地源热泵中央空调系统，包括地源式热泵机组、换热设备、水处理设备、空气处理设备及水循环系统，具有夏季供冷，冬季供热的功能。其原理图如图1-1所示：

图1-1地源热泵系统原理及流程图
制冷时，从取水井取出的水做为冷却水，流经冷凝器，带走热量，温度升高后，排至回水井；空调系统循环水流经蒸发器，温度降低后，流回空调系统。
取暖时，从取水井取出的水作为热源水，流经蒸发器，释放热量，温度降低后，排至回水井；空调系统循环水流经冷凝器，温度升高后，流回空调系统。
地源热泵系统核心设备为热泵机组，由压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器以及各种控制元器等组成，其原理图如图1-2所示：
图1-2 地源热泵机组原理图
夏季供冷时，热泵机组中的制冷剂按实线箭头方向流动，换热器2作为循环中的冷凝器，将从压缩机出来的高温高压制冷剂蒸汽冷凝成高压液体，经过热力膨胀阀隆压，在换热器1中蒸发，吸收热量，将流经换热器1中的水或空气冷却，提供空调冷源，而流经换热器2的地下水源带走制冷剂释放的热量。冬季供暖时，热泵机组中的制冷剂按虚线箭头方向流动，压缩机出来的高温高压制冷剂蒸汽流经作为冷凝器的换热器1，释放热量，将流经换热器1的水或空气加热，提供空调热源，而流经换热器2的地下水源向制冷剂提供热量，完成供热循环。
统低温热源的概念，但由于当时一次能源充足，用热泵供暖的社会需求不足，导致热泵技术没有得到重视和发展。直到1948年，H.Zoelly的专利技术才真正引起普遍的关注，尤其是欧洲和美国。20世纪50年代，美国和欧洲国家开始研究和利用地源热泵，但当时能源价格较低，使用热泵系统并不经济，因而没有得到推广。1974年以来，由于石油危机的出现和环境的恶化，引发了人们对新能源的开发和利用，因此开始了地源热泵的研究和利用。这一时期欧洲建立了许多采用水平盘管地下换热器的土壤源热泵系统的研究平台。自1974年起，瑞典、瑞士、荷兰等国政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵技术也日趋完善。从热泵技术来说，此时的地源热泵系统大多直接利用地下水作为冷热源，因此对地下水温度有一定要求，而且当时的技术相对粗糙，甚至不设置回灌井。
20世纪70年代末到90年代初，美国开展了冷热联供地源热泵的研究工作。这一时期，地源热泵技术飞速发展并趋于成熟。美国的地源热泵机组生产厂家也十分活跃，成立了全国地源热泵生产商联合会，并逐步完善了工程安装网络，成为世界上地源热泵机组生产和使用的大国。
国外对土壤源热泵的研究主要集中在地下换热器，1946年，美国进行了12个地下换热器的研究项目，这些研究项目测试了埋地盘管的几何尺寸、管间距、埋深等，并将热电偶埋入地下，测试了土壤温度随时间变化和受传热过程影响的情况。1953年，美国电力协会的研究表明，以上这些试验还没有提供可用于地下换热器的设计方程。20世纪50年代初，英国安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1974年，欧洲实施了30个工程开发研究项目，发展了地源热泵的设计、安装技术，并积累了运行经验。1971－1978年，美国进行了多种形式地下换热器的测试，并引入太阳能集热器，组成混合土壤源热泵系统。这一时期开始采用塑料盘管代替金属盘管。美国和欧洲国家设计安装的土壤源热泵系统大多参照类似的已建工程设计安装，另一些工程的设计则采用估算方法。
目前，国外对地源热泵的研究主要集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器的设计、计算模型约30多种，对所有模型的建立，关键是求解岩土温度场的动态变化，其基本模型有2种：①线热源模型②圆柱热源模型。
我国具有较好的热泵科研成果与应用基础，20世纪50年代，天津大学的热能研究所最早开展了热泵方面的研究工作，并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。我国对土壤源热泵的研究始于20世纪80年代，国内的科研工作者相继展开地源热泵的研究和试验工作，各种试验研究工作主要由各大学进行。虽然我国对地源热泵的研究和应用较晚，但发展势头很好，地源热泵发展已列入国家新能源和可再生能源产业发展十五规划。目前我国地源热泵工程正逐年增加，并取得了初步效果。
目前，国内外热泵产品主要以风冷热泵和地源热泵为主，输出温度大于60℃，以地源或低温地热水（50℃以下）为热源的高温地源热泵在国内只有少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大学等，广州能源研究所于2001年初率先推出了最高出水温度可达75℃的高温地源热泵机组，并在近两年里由其下属公司－北京中科能源高科技有限公司在北京、广州等地成功实施了十余个工程项目，涉及空调采暖、散热器采暖、热水供应、地热尾水热回收利用等多种形式，取得了良好的运行效果。
国内对地源热泵的研究主要集中在以下5个方面：地下换热器的传热计算模型的建立；地下换热器传热计算的模拟研究；地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析；土壤冻结对地下换热器传热的影响；地下换热器间歇运行工况的分析。

近年来随着资源和环境的问题日益严重，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。
在中国，煤作为主要能源, 煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2001年的68.6%和65.3%上升为70.7%和66.1%。特别在冬季,在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源,只有减少城市地区煤的使用,城市大气污染问题是才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量,选用电采暖、燃油或者燃气采暖等措施,但都存在运行费用高、资源不足和排放CO2这些问题。受能源、特别是一次性能源与环保条件的限制,传统的燃油、燃煤中央空调方式将逐步受到制约。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。
地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。

图2－1 T-S图

图2－2 logP-h图
图中，1→2为压缩过程，2→3’→3为冷凝过程。3→4为膨胀过程，4→5→1为蒸发过程。
循环压缩机输入： （2-1）
蒸发制冷量： （2-2）
冷凝供热量： （2-3）
其中，h为各状态点的工质比焓。
制冷工制热力性质计算选用改进的Petal-Teja（PT）方程计算，改进的PT 方程为三参数方程，具有形式简单，应用方便的特点，精度较原PT方程有较大提高，明显高于PR方程、RKS方程，特别在饱和液相区，精度大大提高，能够满足工程计算的需要。
热泵循环具有夏季制冷，冬季供热的双效功能，用参数COP来表示循环的工作性能，对制冷循环： （2-4）
：循环制冷量， ：压缩机输入功率
对供热循环： （2-5）
：循环制热量， ：压缩机输入功率
COP值的提高，意味着循环工作效率的提高，亦即节能效率的提高。
程序采用VB语言编写，利用该程序，可以对循环在不同工质、不同工况下进行模拟计算，可以得出循环各状态点参数、循环性能参数及有效能损失。
采用地源热泵系统，利用浅层地下水作为系统冷却水，计算工况参数如下：
地下水入口温度：21℃
地下水出口温度：31℃
冷冻水入口温度：12℃
冷冻水出口温度：7℃
室外环境温度：35℃
室内环境温度：27℃
采用水冷制冷机组系统，利用流经冷却塔的水作为系统冷却水，计算工况参数如下：
冷却水入口温度：21℃
冷却水出口温度：31℃
冷冻水入口温度：12℃
冷冻水出口温度：7℃
室外环境温度：35℃
室内环境温度：27℃
采用风冷热泵机组系统，利用室外大气进行冷却，计算工况参数如下：
冷冻水入口温度：12℃
冷冻水出口温度：7℃
室外环境温度：35℃
室内环境温度：27℃
表2－1 三种制冷方式循环计算结果比较
循
环
类
型
循
环
参
数

地源热泵机组
水冷制冷机组
风冷机组
与水冷机组增量
与风冷机组增量
冷凝压力bar
13.73
17.50
19.20

蒸发压力bar
5.56
5.56
5.56

冷凝温度℃
35.5
45.5
49.4

蒸发温度℃
3.2
3.2
3.2

压比
2.47
3.15
3.45
-21.6%
-28.1%
容积制冷量kj/m3
2875
2863
2856

单位耗功kj/m3
576.20
730.36
804.50

COP
4.99
3.92
3.55
27.2%
40.1%
上表计算结果表明：采用地源热泵循环，较采用水冷制冷机组节能27.2%，较采用风冷热泵机组节能40.1%。
采用地源热泵系统，利用浅层地下水作为系统热源，计算工况参数如下：
地下水入口温度：18℃
地下水出口温度：8℃
循环水入口温度：42℃
循环水出口温度：47℃
室外环境温度：-5℃
室内环境温度：18℃
采用风冷热泵机组系统，利用室外大气进行供暖，计算工况参数如下：
循环水入口温度：42℃
循环水出口温度：47℃
室外环境温度：-5℃
室内环境温度：18℃
表2－2 两种供暖方式循环计算结果比较
循
环
类
型
循
环
参
数

地源热泵机组
水冷制冷机组
风冷机组
与水冷机组增量
与风冷机组增量
冷凝压力bar
21.49

21.49

蒸发压力bar
5.56

2.95

冷凝温度℃
54.4

54.4

蒸发温度℃
3.2

-15

压比
3.87

7.28

-46.8%
容积制冷量kj/m3
3554.90

2856

单位耗功kj/m3
679.67

804.50

COP
4.23

2.62

61.5%

COP随蒸发温度变化曲线

COP随蒸发温度变化曲线
图2－3 制冷工况计算结果中不同的冷凝温度和蒸发温度对循环性能的影响曲线
图2－4为供热工况计算结果中不同的冷凝温度和蒸发温度对循环性能的影响曲线。

COP随蒸发温度变化曲线

COP随冷凝温度变化曲线
图2－4 供热工况计算结果中不同的冷凝温度和蒸发温度对循环性能的影响曲线

3.1水-水地源热泵机组模型
国外热泵机组模型多数是基于厂家提供的产品样本中的数据而建立的。在国内，多数样本只提供了额定工况时的性能参数，少数产品即使提供了运行工况的性能参数，所给出的数据可靠性也难以保证。所以，完全根据样本数据建立模型的方法无法实现。国内对于热泵机组的研究多采用部件模型法，即分别对各个部件建立模型，机组模型则由各部件模型通过适当的接口参数连接而成。
水-水热泵机组主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个部件组成。因此本文采用分布参数法建立了套管式冷凝器和蒸发器的模型，采用集中参数法建立了压缩机和热力膨胀阀的模型,
通过一定的迭代关系式将各个部件联系起来。在猜测一组初值后，从最内层循环开始计算，其它变量根据这些假定值算得。如果收敛条件不满足，假定值被修改后的新值取代。由此，完成由内到外各层的循环计算。
热泵机组的控制方法有多种，目前应用最多的方法仍然为控制过热度。本文主要研究控制过热度为主的热泵机组的模拟算法。机组模拟的目的就是在设定变量初值后，通过不断的迭代和改变变量的设定值，在保证一定误差的前提下，确定机组的实际运行工况。稳态的热泵机组模拟主要由三重迭代过程组成，其主要步骤如下：
（1） 设定蒸发器出口制冷剂的过热度△ts。
（2） 输入已知量，包括蒸发器、冷凝器的结构参数，制冷剂充注量及工况参数。
（3） 设定蒸发温度Te、冷凝温度Tc和蒸发器入口制冷剂干度x的初值。
（4） 调用压缩机模型，计算制冷剂质量流量及压缩机入口状态点1的参数。
（5） 调用蒸发器模型，计算蒸发器的传热面积Ae,并与蒸发器的实际传热面积Aeo比较，若>ε，转到3）重新设定蒸发温度，直到满足为止。这是第一重循环。
（6） 调用膨胀阀模型，计算压缩机出口状态点2、冷凝器出口状态点3、膨胀阀出口状态点4点的状态参数。
（7） 调用冷凝器模型，计算冷凝器的传热面积Ac,并与冷凝器的实际传热面积Aco比较，若>ε，转到3）重新设定冷凝温度，直到满足为止。这是第二重循环。
（8） 计算整个系统内制冷剂的质量M，其中。如果>ε，则转到3），重新设定蒸发器入口制冷剂干度x，直到满足为止。这是第三重循环。
（9） 计算机组的各项性能参数，如性能系数、压缩机功率、制冷量等，输出各参数。
对热泵机组模型，在机组结构参数已知的情况下，只要输入冷却水和冷冻水的进口温度和流量即可模拟出冷却水和冷冻水的出口温度及机组各项性能参数。
3.2地源热泵系统模型
地源热泵系统包括三个环路，即？？？？地下防冻液或水环路、热泵机组内制冷剂环路和用户侧水环路，因此系统模型是由？？？？地热换热器模型、热泵机组模型和用户负荷模型通过质量守衡和能量守衡关系式连接而成。
在地热换热器长度和配置一定的情况下，地源热泵系统性能模拟步骤如下： （1）输入已知参数，这些参数包括？？？？？地热换热器结构参数，地热换热器长度、地下岩土及塑料埋管的热物性；热泵机组内压缩机、冷凝器、蒸发器、及膨胀阀的结构参数；冷却水的初始进口温度T、流量Mex、Cpx比热；冷冻水的初始进口温度T、流量Me、Cp比热；任一时刻的室内冷负荷。
（2）调用热泵机组模型，计算初始时刻机组的制冷量、放热量、冷冻水及冷却水的出口温度。
（3）以热泵机组的热流作为地热换热器的已知变量，调用地热换热器模型，计算出第一时刻地热换热器流体出口温度T。
（4）调用室内负荷模型，计算出第一时刻的冷负荷。
（5）以初始时刻机组冷冻水的出口温度作为已知变量，调用用户侧水环路模型，求出该时刻冷冻水回水温度T。
（6）以第一时刻计算出的冷冻水温度T、T
作为已知变量，调用热泵机组模型，计算该时刻机组的制冷量、放热量、机组性能系数,冷冻水温度T、T等。
（7）以（6）计算出的冷冻水温度T、T作为已知变量，然后转到（2），计算下一时刻机组的各项性能参数，直到达到总的模拟时间。
3.3系统模型验证
为了验证系统模型的有效性，对地源热泵试验系统的水温、水量及制冷剂的温度进行了测定，同时根据系统模拟软件，利用测定的水量及用户的回水温度作为已知参数，对地源热泵系统进行了模拟。
结果表明，模拟的冷冻水温度与实测结果非常吻合，实测温度与模拟值最大误差为0.5℃；地热换热器出口温度实测值与模拟值在运行开始时误差较大，在运行约3个小时后，误差逐渐减小，最大误差不超过为0.5℃，这主要是由于地热换热器将钻孔内传热近似为稳定传热造成的；压缩机功率模拟的相对误差在运行过程中均不超过5％。
本研究利用地表浅层地下水作为载体实现地源能的应用。采用打井的方法，需打两组井，一组为供水井，用来提取地下水；一组为回灌井，用于将换热后的地下水回灌于地下，保证地下水不受任何损失。两组井要隔开足够的距离，避免两组井之间的热量短路，通常需要相隔50米以上。
地下水的提取。受到当地地质条件的限制，在一些富水地区，由于井的出水量较大，所需井的数量较少，井的深度要求也较浅，打井费用低，同时潜水泵的扬程也比较低，耗功较小。相反，对一些贫水地区来说，需要打较多数量的井和较深的井才能满足水量的要求。因而，地下水的流量直接影响到打井的数量和潜水泵的耗功。另一方面，地下水的流量又影响到热泵机组的性能，流量大，进出口温差小，平均换热温差大，机组换热效率高，性能系数高。但当流来那个达到一定值，流量的增加对机组性能的影响不再明显。
综合各种因素，对地下水进行优化，对降低工程造价，提高系统运行效率，保证系统可靠运行是非常有必要的。
本研究提出一个综合经济性能参数E作为目标函数，E按下列方法确定：
E=系统全年运行费用＋总投资年折扣率
系统全年运行费用的计算：(4-1)
其中：, 全年运行费用;，冬季机组运行效率；,冬季每天运行时间；,冬季机组运行时间常数；，冬季机组运行天数；，夏季机组运行效率；,夏季每天运行时间；,夏季机组运行时间常数；，夏季机组运行天数；P，电价。
; (4-2)
其中，，冬季热负荷；，供热循环性能系数；，夏季热负荷；，制冷循环性能系数；,实际循环工作效率。
Pz为总投资年折旧率
则： (4-3)
取地下水流量Mgw为设计变量，根据当地地质条件、材料价格及施工费用，便可确定工程造价，进而求出年折扣率。
Pz=f1（Mgw） （4-4）
根据建筑状况确定冷、热负荷、后，根据Mgz可求出井水温差、：
（4-5）
根据、，利用前面介绍的循环模拟程序求解循环参数COP、、等，可计算出参数Fee。
（4-6）
（4-7）
优化的目标函数就是使得E值最低。

边界条件：
井水流量应大于设备要求的最小流量。
冬季井水温度不应大于结冰警戒温差。
4.3.1 变频调速原理
根据公式 (4-8)
式中f为电源频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数。当p和s确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速11，从而实现变
频调速。
4.3.2 变频调速的节能原理
根据流体力学理论，水泵的流量与转速成正比，即：
(4-9)
泵类负载的压力与转速二次方成正比，功率与转速三次方成正比，即： (4-10)
其中Q，n分别为流量和转速，Q0、n。、P0为额定工况下流量、转速、功率。
由上述公式可知，转速减少时，电机的能耗以转速的三次方的速率下降，因此，变频调速的节能效果非常显著。
4.3.3 变频调速技术的特点
变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术于一体的高新技术．其主要特点如下：
(1) 变频调速节电率高。通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡和阀门调节的方法，变频调速节电率约在20％ ～60％ 之间，平均可节电30％ 左右。它主要从以下4个方面节电：①软起动，一般交流电动机的起动电流为电动机额定电流的6～7倍，变频调速起动电流不超过电动机的额定电流。②节省设计冗余，一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的余量很大，形成大马拉小车。变频调速可以把这部份冗余节省下来。③调速节电。④功率因数高，一般在o,95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。
(2) 变频调速装置投资低、回收期短。如采用变频调速技术对泵、风机和空压机等设备进行节能改造，综合比较设备投资、改造后年节约资金、设备回收期及工程总投资等方面．变频调速技术与其它调速方案相比，它具有装置投资低、回收期短的优点。
(3)调速性能好。变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面，是以往的调速方式无法比拟的。变频调速的具体性能参数如下：调速范围：0—100％连续可调；频率输出：0-120Hz(根据电机情况可设定)；频率精度：±0．5％。
4.3.4
地下水系统的优化，是针对额定工况进行的，根据优化结果进行系统设计，可保证系统取得最佳的经济效益。但是，出于气温的变化，建筑的冷热负荷亦在发生变化，同时，建筑的使用情况也在不断变化，因而对空调系统制冷、供暖能力的要求是动态的。热泵机组的控制模式是：夏季（冬季）当空调冷（热）负荷发生变化时，热泵主机根据冷冻水（热水）回水温度的变化来调整制冷（热）量，同时改变输入功率，此时，起散（吸）热量也发生变化，对井水的需求量随之变化，如果仍保持不变的供水量，势必造成水泵功耗的浪费。
变频技术的应用为实现变流量供水、降低水泵功耗提供了一条有效的途径，变频供水系统通过变频器控制水泵中异步电机的转速，有异步电机驱动水泵叶轮，从而改变水泵叶轮转速。根据水泵的运动原理，水泵变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间的关系为：

式中，Q1、Q2；N1、N2；H1、H2；P1、P2分别为变速前的流量、扬程、功率。
由上式可以看出，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，所以，通过调速来实现流量的变化，水泵功耗要小得多。
热泵机组对井水流量的要求，反映在井水供回水温差上，因而，将井水供回水温差作为控制目标参数，通过PLC（可编程控制器）控制变频器对水泵进行调速。控制原理如图4－1所示。

图4－1 变频控制原理图

临沂公务段综合办公楼系改造工程，空调面积为3000。其中，原住宅单元楼共16户改造成招待所，空调面积约1200；办公区域为三层，空调面积约800；综合会议室及餐厅空调面积约1000；根据建筑结构及功能特点，本方案拟采用集中式地源热泵中央空调系统。
本方案按舒适性空调设计，满足室内对空气品质如温度、湿度、清洁度、清新度的要求。
对空调、采暖冷、热负荷精确计算，合理设计空调设备的型号和安装位置，合理设计室内气流组织。
节能技术，降低运行费用。
（1）《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19-87）
（2）《建筑设计防火规范》（GBJ16-87，1997）
（3）甲方对本工程的设计要求

季节
温度（℃）
相对湿度（%）
夏季
24-26
<65
冬季
18-20
30-40
(1)本方案采用打井的方法,共打两眼井,一口为抽水井,一口为回灌井.井水夏季温度为21℃,冬季温度为17.5℃,采用优化技术措施,确定抽水量为35,井水供回水温差为8.2℃。这样不仅可以减少潜水泵的耗功率，而且能防止井水出水量的不足。在机组运行时，根据不同的工况，潜水泵变频运行，进一步节省了能量。
（2）机组为水-—水热泵机组，制冷时，把从取水井中取出的水作为冷却水，流经机组冷凝器，带走热量，温度升高后，排至回水井；空调系统循环水则流经蒸发器，温度降低后，流回空调系统。取暖时，把从取水井中取出的水作为热源水，流经蒸发器，释放热量，温度降低后，排至回水井；空调系统循环水流经冷凝器，温度升高后，流回空调系统。所选机组采用控制冷（热）水温度的方法根据负荷的变化自动调节输入功率，既满足了室内空调的要求，又大大节省了电能。
根据本建筑的特点及功能，即分为办公区域及客房区域，有很多独立的小房间。因此，设计采用风机盘管系统。这样，便于控制和节能，同时，便于安装和维修。
对于办公区域，可将风机盘管置于每个房间前端上侧，配合房间的复式吊顶，采用侧送下回的送风方式。
对于客房区域，由于是由原住宅单元房改造而成，可将风机盘管吊在天花板之上，尽量靠近侧墙，配合复式吊顶，采用侧送下回的送风方式，使得房间内气流均匀，达到满意的空调效果。
机房系统由热泵主机、循环水泵、潜水泵、除沙器、电子水处理仪、换向阀、过滤器、压力仪表、变频控制柜、水管道等设备组成。系统布置祥见图2。

供水井和回灌井置于机房前花园地下，上面种植花木，不占用任何土地。
水源热泵主机功率：制冷工况/制热工况 67KW/70KW
循环水泵额定功率： 15 KW
潜水泵额定功率： 11 KW
风机盘管机组总功率： 6 KW
总电负荷： 102 KW
主机根据冷（热）水回水温度智能控制输出冷（热）量和输入功率，并精确控制空调水系统的流量和温度，保证空调设备的良好运行，实现室内空气参数的精确控制。地下水系统采用变频控制，控制地下水的进回水温度差，这样既可节约潜水泵的耗电能，又可防止冬季回水温度过低引起结冰，确保机组的安全运行。
本系统在临沂工务段综合办公楼已运行近两年，工务段操作人员对2003年夏季及2003－2004年冬季进行了测试和统计，在整个夏季空调使用工程中（5－9月，计120天），共耗电39880千瓦时，在整个冬季采暖季节（11－3月，计120天），共耗电57860千瓦时。若以电费0.6元/千瓦时计，夏季消耗电费23928元，冬季消耗电费34716元，全年电费58644元。而在采用本系统前，综合办公楼采用自备锅炉供暖，一个采暖季节耗资96000余元。夏季部分安装家用分体式空调，空调耗电费用计37926元，全年运行费用为133926元，安装地源热泵中央空调系统后，直接节约费用75282元，如考虑到锅炉房专门人员的工资福利、燃煤储运费用等，年节约费用近十万元。
原来临沂工务段综合办公楼采用燃煤锅炉进行冬季采暖，排放烟气污染严重，而且需建造专用煤厂，对环境造成污染。安装地源热泵中央空调系统后，只消耗电能，实现零排放。地下水只起换热作用，完全被回灌到地下，没有任何消耗和污染，水井被花园覆盖，环境优美。
5.4.5.工程造价低
与传统中央空调系统相比（夏季：水冷中央空调机组；冬季：锅炉＋换热站）节约工程造价20%，同时节省了锅炉房、冷却塔等占用的建筑面积。
5.4.6.系统运行可靠
由于地下水温比较恒定，系统工作状态稳定，运行可靠，使用寿命长。
5.5临沂公务段综合办公楼地源热泵中央空调系统机房及空调布置图

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