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| 地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題解決方法 |
| （時間:2014-8-25 8:49:26） |
土壤熱平衡問題是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計與應用中需要解決的首要問題，如今已經有不少方法應用在實際工程中，并取得了不錯的效果，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)。混合式地源熱泵即地埋管換熱系統(tǒng)與輔助散熱設備或輔助熱源混合使用的熱泵系統(tǒng)，分為室內換熱系統(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)，建筑負荷特點一般是夏季冷負荷大于冬季熱負荷，所以土壤熱平衡問題是體現(xiàn)在土壤熱量的堆積上。在此種負荷特點下，設計中地埋管的熱容量是以建筑物的熱負荷作為設計基礎，夏季供冷時采用輔助散熱設備散去室內多余熱量。
冷卻塔是混合式地源熱泵系統(tǒng)最常用的散熱設備，在大部分工程設計中，通常是根據建筑全年累計總負荷計算熱量得失，由系統(tǒng)對土壤取熱量與散熱量之差計算冷卻塔循環(huán)水量從而選取冷卻塔型號，在控制冷卻塔時則固定時間啟停。但由于建筑負荷與周圍環(huán)境息息相關且負荷變化是一個動態(tài)過程，所以不應該單純以此法選取和控制冷卻塔。在文獻【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行下的平均進水溫度（根據經驗數(shù)據或模擬計算得出）計算出冷卻塔容量大小的平衡點T，查詢當?shù)厝曛饡r室外干濕球溫度數(shù)據得出當室外濕球溫度為T時室外干球溫度的平均值，進而求得在此室外條件下的建筑冷負荷Qc，再根據熱泵機組的EER值計算出機組的放熱量Qf，由此選取冷卻塔。此法在選型計算中與建筑所在地區(qū)氣候特點和建筑負荷特點都緊密聯(lián)系起來，所以所得結果符合工程實際情況。而冷卻塔的啟停控制方法是根據機組出水溫度來判斷是否需要冷卻塔輔助，且當所選冷卻塔出水溫度小于土壤在熱泵制冷工況運行下的平均進水溫度時啟用冷卻塔（因此時在流量相同情況下，使用冷卻塔比使用埋管更有利于提高機組的運行效率）。
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，可以減少部分埋井數(shù)量，節(jié)約室外地埋管換熱器的安裝面積，同時初投資也會相應降低。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回熱器；10壓縮機；11風機盤管
2.太陽能-地埋管地源熱泵
在寒冷地區(qū)，建筑冬季供熱負荷要大于夏季供冷負荷，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。據統(tǒng)計，一般情況下土壤溫度每降低1℃，會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)能夠長久、正常的運行，并充分體現(xiàn)其節(jié)能性，需要在系統(tǒng)中加入輔助加熱設備，以解決在寒冷地區(qū)應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備，系統(tǒng)可通過閥門的控制來實現(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行流程等。冬季采暖時，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，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調用。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；9冷凝器；10回熱器；11膨脹閥；12風機盤管
3.地源熱泵間歇式運行
盡管地埋管地源熱泵系統(tǒng)的連續(xù)使用會使土壤溫度發(fā)生單向變化，但土壤溫度場有著可恢復的特點，并且在建筑環(huán)境中供熱供冷系統(tǒng)機組的運行具有間斷性，所以有人提出了地源熱泵的間歇式運行。通過人為合理的控制熱泵機組的間歇運行，能夠強化傳熱過程，提高熱泵機組的使用效率，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地下傳熱緩慢的不足，就能實現(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。
國內已有不少地源熱泵間歇式運行的實驗，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小時間歇運行試驗【4，5】，得出以24小時為一個周期，控制機組啟停時間為1：1和2：5時土壤溫度場的恢復效果的分析。機組具體運行情況為：機組運行5小時后停機，埋管管壁溫度經過5小時溫度恢復到與初始狀態(tài)相差0.2？C，機組繼續(xù)運行4小時后停止運行，管壁溫度經過10小時恢復到初始溫度，為下一循環(huán)開機運行提供較好的換熱條件。以此方式運行，在滿足用戶負荷需求的基礎上，熱泵的進出口水溫穩(wěn)定在一個較高溫度，使機組基本處于理想工況下運行，且地下?lián)Q熱量與連續(xù)運行相比提高了5%.
4.回收利用多余熱量制造生活熱水
在夏季冷負荷大于冬季熱負荷的地區(qū)，對于地源熱泵系統(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)約能源的一個有效方法。
在該種負荷條件下，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，已經有一些工程將系統(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，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。
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