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地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案

   地源热泵是以大地为热源对建筑进行供热或制 冷的技术。作为一项可持续发展的建筑节能技术正在 逐步走向成熟,它有着空气源热泵不可比拟的优点,地埋管地源热泵系统只会引起土壤温度的变化,而不 会引起地下水位下降和地面的沉降,也不存在地下水 污染和回灌不完全等问题。是一种对环境比较安全的 取、放热方式。 地源热泵系统中的地埋管换热器分为水平地埋管换热器和竖直地埋管换热器,水平地埋管换热器通 常距离地面 1~2 m,由于埋深较浅,可以和地面进行 充分的热交换,因此,不存在地下土壤的热平衡问题。 竖直埋管换热器通常埋深在 30~100 m 之间,其热交 换对象是深层土壤,而深层土壤又不可能与地表环境 进行充分的热交换,就容易使得土壤出现取、放热的 不平衡。

1 、地下土壤热失衡的原因
   冬季通过热泵提取地下的低位热能给建筑物供 暖,同时,地下埋管周围的温度降低;夏季通过热泵把 建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时,地 下埋管周围的温度升高。显然,这种温度的升高或降 低,对当年采暖(或空调)季的地埋管换热器的传热性 能有一定影响。如果在 1 年中冬季从地埋管换热器中 抽取的热量与夏季向地埋管换热器输入的热量平衡, 则地埋管换热器在数年的长时间运行后,地下的年平 均温度没有变化,对地埋管换热器的性能没有影响。 在夏热冬冷地区,供冷和供暖的天数相差无几, 冷热负荷基本相等,因此,垂直地埋管地源热泵的最 佳使用区域是夏热冬冷和冬夏冷热负荷相当的地区。 在寒冷地区由于其冬季热负荷大于夏季冷负荷,造成 热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量, 致使土壤温度逐渐降低、设备耗功率上升、供热性能 系数 COP 降低,一般情况下,土壤温度降低 1 ℃,会 使制取同样热量的能耗增加 3%~4%。同理,对于南 方地区,由于夏季空调冷负荷大于冬季热负荷,可能 造成地下土壤的温度升高 ,进而致使机组的冷凝温 度提高、制冷量减少、设备耗功率上升。因此,维持垂 直埋管地源热泵地下换热系统的吸、放热平衡是热泵 系统正常、高效运行的可靠保证。

2、利用太阳能的可行性

   在严寒地区和寒冷地区,垂直地埋管热泵的地下 换热系统冬季向土壤吸收的热量远大于夏季向土壤 的排放热量。此时,为了使土壤能够维持热平衡状态、 保证热泵的运行效率,就需要增设一个向系统提供热 量的辅助热源。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭 的绿色环保能源,随着科学技术的不断进步,人们利 用太阳能的技术趋于成熟,从而使其应用于建筑物的 采暖制冷系统中成为可能。另外,太阳能利用比较灵活,规模可大可小,在日照条件好的情况下,以太阳辐 射热作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源 热泵更高的蒸发温度,其系统的能效比(COP)可达到 4 以上。可见,以太阳能作为地源热泵的辅助热源是非常可行的。

2.1 系统组成及工艺原理

   地源热泵机组的制热量是由蒸发器的吸热量决 定的,而蒸发器的吸热量与蒸发温度和地热换热器出 口水温有关,地热换热器出口水温又与地热换热器的 长度、土壤温度及系统连续运行时间等因素有关。当 系统连续长时间运行后,土壤温度会逐渐降低,从而 导致地热换热器出口温度降低,热泵制热循环中的蒸 发器温度也会随之下降,最后导致热泵耗能增加、制 热量不足。太阳能与地源热泵联合供热系统就是通过 太阳能集热器采集太阳能并传递给热泵系统的蒸发 器以解决这种供需矛盾。

2.2 系统的运行方式

   太阳能与地源热泵联合运行的方式主要有两种: 一种是串联运行,另一种是并联运行。

2.2.1  串联运行

   当室外温度很低,建筑的热负荷较大,单独采用 地埋管换热不能满足采暖要求时,可采用串联运行的 方式,图 1 中阀门 2 和 3 关闭,阀门 1 打开,太阳能采 集的热量存储在蓄热水箱中,地埋管中的水先在土壤 中吸收部分热量,然后再经过蓄热水箱进一步升温, 从而提高其进入蒸发器时的温度,随着蒸发器温度的 提高,热泵机组的性能系数 COP 也随之相对提高,系 统可以向用户提供更多的热量以满足采暖要求

2.2.2  并联运行

   并联系统是将太阳能辅助热源和地热源并联。若 单独采用地源热泵供热,地热换热器经过长期运行, 土壤温度会不断降低,热泵的性能系数会随之下降, 系统消耗电能会逐渐增加。此时,2 种热源的交替运 行就显得十分必要。当室外温度较高,建筑的热负荷较小,2 热源可交替向热泵机组的蒸发器提供热量。 既可以充分利用太阳能又能保证地源热泵的稳定运 行。图 1 中阀门 1 和 3 关闭,阀门 2 打开,此时,地热 换热器运行,土壤向系统提供热量;阀门 2 关闭,阀门 1、3 打开,此时,太阳能集热器向系统提供热量。当日 照比较强时,太阳能集热器中一部分热量还可以暂时 蓄存到土壤中,这样可使土壤温度场得以较快恢复, 进而提高集热效率,使热泵在高效率区间运行。

3、利用冷却塔的必要性

   在我国南方地区,大型商用建筑物夏季所需要冷 负荷要远大于冬季所需热负荷,且热泵机组在名义工 况和规定条件下的能效比 COP 要大于性能系数 EER。若完全依靠地源热泵来供冷,则地下埋管换热器 和热泵机组的初投资均比较高,此时,就需要按冬季热 负荷选择机组,在部分负荷时,单独运行地源热泵供 冷,在峰值负荷或冷负荷较大时,启用冷却塔辅助冷 却,这样既可以减少初投资,又可以维持土壤的热平 衡、使热泵系统在高效经济的范围内运行。可见,采用 冷却塔作为地源热泵系统的辅助冷源是十分必要的。

3..1系统的组成及工艺原理

联合运行的制冷系统包含 4 套循环系统:

(1)载冷剂循环:地热换热器中的载冷剂将热泵冷 凝器释放出的热量排入土壤中,并吸土壤中的冷量回 到热泵冷凝器中;

(2)制冷剂循环:热泵中的制冷剂通过压缩机做功 将蒸发器中的热量转移到冷凝器中;

(3)水循环:房间空调系统中的水将吸收的室内热 量转移到热泵蒸发器中;

(4)冷却循环:冷却水将冷凝器中的载冷剂吸收不 了的热量转移到冷却塔并排放到大气中。系统的联合 运行原理如图 2 所示。

3.2  系统的运行方式

   地源热泵的供冷可采取 2 种形式,一种方式是埋 地换热器单独运行,完全由埋地换热器承担所有的负 荷;另一种方式是埋地换热器和冷却塔联合运行,由 冷却塔承担一部分负荷。另外,在系统运行的间歇,可 以利用冷却塔降低埋管周围的土壤温度。在夜间,机组停止运行的时候,可以使冷却塔和地下埋管换热器 在无负荷状况下串联运行。利用冷却塔将地埋管周围 的温度较高的土壤蓄积的热量带走,对埋管周围的土 壤进行降温。在次日,机组运行的时候可以得到一个 相对较低的出口温度,提高热泵系统性能。

   地源热泵用作建筑空调冷热源的主要效果显著,联合热泵系统是一 种性能良好、经济可行而且无污染的技术。