地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【學(xué)員問題】解決地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題的方法？

【解答】土壤熱平衡問題是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中需要解決的首要問題，如今已經(jīng)有不少方法應(yīng)用在實(shí)際工程中，并取得了不錯(cuò)的效果，比如在系統(tǒng)中加入輔助冷熱源、間歇式控制等措施。其中使用較為廣泛的措施就是采取混合式地源熱泵系統(tǒng)?；旌鲜降卦礋岜眉吹芈窆軗Q熱系統(tǒng)與輔助散熱設(shè)備或輔助熱源混合使用的熱泵系統(tǒng)，分為室內(nèi)換熱系統(tǒng)和室外換熱系統(tǒng)兩大部分[1].

1.冷卻塔-地埋管地源熱泵

在南方地區(qū)，建筑負(fù)荷特點(diǎn)一般是夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，所以土壤熱平衡問題是體現(xiàn)在土壤熱量的堆積上。在此種負(fù)荷特點(diǎn)下，設(shè)計(jì)中地埋管的熱容量是以建筑物的熱負(fù)荷作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，夏季供冷時(shí)采用輔助散熱設(shè)備散去室內(nèi)多余熱量。

冷卻塔是混合式地源熱泵系統(tǒng)最常用的散熱設(shè)備，在大部分工程設(shè)計(jì)中，通常是根據(jù)建筑全年累計(jì)總負(fù)荷計(jì)算熱量得失，由系統(tǒng)對(duì)土壤取熱量與散熱量之差計(jì)算冷卻塔循環(huán)水量從而選取冷卻塔型號(hào)，在控制冷卻塔時(shí)則固定時(shí)間啟停。但由于建筑負(fù)荷與周圍環(huán)境息息相關(guān)且負(fù)荷變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，所以不應(yīng)該單純以此法選取和控制冷卻塔。在文獻(xiàn)【2】中提出了比較合理的冷卻塔選型和控制方法，即由土壤在熱泵制冷工況運(yùn)行下的平均進(jìn)水溫度（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或模擬計(jì)算得出）計(jì)算出冷卻塔容量大小的平衡點(diǎn)T，查詢當(dāng)?shù)厝曛饡r(shí)室外干濕球溫度數(shù)據(jù)得出當(dāng)室外濕球溫度為T時(shí)室外干球溫度的平均值，進(jìn)而求得在此室外條件下的建筑冷負(fù)荷Qc，再根據(jù)熱泵機(jī)組的EER值計(jì)算出機(jī)組的放熱量Qf，由此選取冷卻塔。此法在選型計(jì)算中與建筑所在地區(qū)氣候特點(diǎn)和建筑負(fù)荷特點(diǎn)都緊密聯(lián)系起來，所以所得結(jié)果符合工程實(shí)際情況。而冷卻塔的啟?？刂品椒ㄊ歉鶕?jù)機(jī)組出水溫度來判斷是否需要冷卻塔輔助，且當(dāng)所選冷卻塔出水溫度小于土壤在熱泵制冷工況運(yùn)行下的平均進(jìn)水溫度時(shí)啟用冷卻塔（因此時(shí)在流量相同情況下，使用冷卻塔比使用埋管更有利于提高機(jī)組的運(yùn)行效率）。

采用冷卻塔-地埋管地源熱泵系統(tǒng)可以很好的解決土壤熱平衡問題，而合理的選取和控制冷卻塔，可以減少部分埋井?dāng)?shù)量，節(jié)約室外地埋管換熱器的安裝面積，同時(shí)初投資也會(huì)相應(yīng)降低。如圖所示為冷卻塔-地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理圖。

冷卻塔-土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖 1冷卻塔；2 、4水泵；3埋地盤管； 5換熱器；6冷凝器；7膨脹閥；8蒸發(fā)器；9回?zé)崞鳎?0壓縮機(jī)；11風(fēng)機(jī)盤管

2.太陽能-地埋管地源熱泵

在寒冷地區(qū)，建筑冬季供熱負(fù)荷要大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵冬季從地下土壤吸取的熱量大于夏季向土壤排放的熱量，導(dǎo)致土壤溫度逐漸降低，致使系統(tǒng)供熱量下降，耗功率上升，供熱系數(shù)降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下土壤溫度每降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3%~4%【3】。所以，為了保證熱泵系統(tǒng)能夠長(zhǎng)久、正常的運(yùn)行，并充分體現(xiàn)其節(jié)能性，需要在系統(tǒng)中加入輔助加熱設(shè)備，以解決在寒冷地區(qū)應(yīng)用地埋管地源熱泵所面臨的土壤熱平衡問題。太陽能集熱器是最常用的輔助加熱設(shè)備，系統(tǒng)可通過閥門的控制來實(shí)現(xiàn)太陽能直接供暖，太陽能與熱泵聯(lián)合供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱的運(yùn)行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用。夏季與過渡季節(jié)，太陽能集熱器主要用于提供生活用熱水。如圖所示為太陽能-地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理圖。

太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖 1集熱器；2貯熱水槽；3、5水泵；4埋地盤管； 6換熱器；7蒸發(fā)器；8壓縮機(jī)；9冷凝器；10回?zé)崞鳎?1膨脹閥；12風(fēng)機(jī)盤管

3.地源熱泵間歇式運(yùn)行

盡管地埋管地源熱泵系統(tǒng)的連續(xù)使用會(huì)使土壤溫度發(fā)生單向變化，但土壤溫度場(chǎng)有著可恢復(fù)的特點(diǎn)，并且在建筑環(huán)境中供熱供冷系統(tǒng)機(jī)組的運(yùn)行具有間斷性，所以有人提出了地源熱泵的間歇式運(yùn)行。通過人為合理的控制熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行，能夠強(qiáng)化傳熱過程，提高熱泵機(jī)組的使用效率，較好的解決土壤熱平衡問題。而且如能充分利用這種間歇性彌補(bǔ)地下傳熱緩慢的不足，就能實(shí)現(xiàn)充分換熱，最大限度的減少地埋管的鉆孔數(shù)，降低工程初投資。

國(guó)內(nèi)已有不少地源熱泵間歇式運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，提出了一些合理的啟?？刂品桨?。比如大連理工曾做的冬季工況24小時(shí)間歇運(yùn)行試驗(yàn)【4，5】，得出以24小時(shí)為一個(gè)周期，控制機(jī)組啟停時(shí)間為1：1和2：5時(shí)土壤溫度場(chǎng)的恢復(fù)效果的分析。機(jī)組具體運(yùn)行情況為：機(jī)組運(yùn)行5小時(shí)后停機(jī)，埋管管壁溫度經(jīng)過5小時(shí)溫度恢復(fù)到與初始狀態(tài)相差0.2？C，機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行4小時(shí)后停止運(yùn)行，管壁溫度經(jīng)過10小時(shí)恢復(fù)到初始溫度，為下一循環(huán)開機(jī)運(yùn)行提供較好的換熱條件。以此方式運(yùn)行，在滿足用戶負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，熱泵的進(jìn)出口水溫穩(wěn)定在一個(gè)較高溫度，使機(jī)組基本處于理想工況下運(yùn)行，且地下?lián)Q熱量與連續(xù)運(yùn)行相比提高了5%.

4.回收利用多余熱量制造生活熱水

在夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷的地區(qū)，對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)土壤熱量得失不平衡問題，用冷卻塔將系統(tǒng)多余熱量散發(fā)至空氣中是較常用的方法，但從能源使用方面講是浪費(fèi)了這部分熱能，若合理利用這部分熱量，將是節(jié)約能源的一個(gè)有效方法。

在該種負(fù)荷條件下，系統(tǒng)夏季向土壤釋放的熱量大于冬季從土壤中取出的熱量，要利用起這部分能量，應(yīng)從建筑能源需求的其他方面考慮。如今建筑生活熱水一般是全年供應(yīng)，已經(jīng)有一些工程將系統(tǒng)多余熱量回收用于制造生活熱水，不僅避免了這部分能量的浪費(fèi)，還節(jié)約了部分制造生活熱水所需的一次能源。下面以武漢某工程為例分析這種方法的使用情況和效果。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。