地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案

点击：1924 日期：[ 2014-04-26 22:01:03 ]

地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案周学文 (郑州市热力总公司，郑州 450006) 摘要：介绍了地埋管地源热泵使用地区的地域差异和由此导致的土壤吸、放热不平衡。重点讲述了解决这种热失衡的两种方案，即太阳能辅助加热和冷却塔辅助冷却。这两种混合式地源热泵系统可以分别有效地解决北方地区和南方地区竖直地埋管换热器取、放热不平衡的问题,使地源热泵系统同样可以在冷热负荷差别较大的地区得到高效率运行。关键词：地源热泵；地埋管换热器；性能系数 COP；能效比 EER 中图分类号： TU831 文献标志码： A 文章编号： 1673-7237(2009)01-0064-03 0 引言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我国幅员辽阔，根据建筑热工可分为 5 个区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。由于巨大的地域差异，使得大部分地区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大，在这些地区使用独立的竖直地埋管地源热泵难免会造成土壤的热失衡。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 太阳能—地源热泵系统 2.1 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。 2.2 系统组成及工艺原理联合运行的供热系统由 4 个分系统组成：地下埋管换热器闭式循环系统、涡旋压缩式热泵机组制热循环系统、太阳能集热系统和空调末端系统。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。 2.3 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。 2.3.1 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。 2.3.2 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 冷却塔—地源热泵系统 3.1 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。 3.2 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。 3.3 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。 4 存在的问题 (1)该系统结构复杂，初投资较高。系统性能的可靠、稳定性有待于进一步验证。其系统的经济性分析要根据各地区的太阳能资源和土壤热物性条件及用户冷热负荷特点等各方面因素综合考虑。此外，该系统增加投资的回收年限问题还需具体的工程实例进一步测算； (2)控制策略问题。文中提出的两种解决方案的控制策略不同，运行效果及经济性也不相同。因此，必须针对不同的气候条件和地质条件来确定采用何种运行方式，从而找出最佳的控制方案； (3)系统联合运行的过程是一个比较复杂的传热、传质动态过程，系统各部件相互耦合使得系统的运行效果不仅与集热器和埋地换热器的效率有关，还与热泵机组的工作效率、建筑物的负荷情况及土壤的换热情况有关。 5 结语地源热泵用作建筑空调冷热源的主要缺陷是系统复杂、初投资大，为传统供暖空调方式的 3 倍左右；主要竞争力是运行费用低、节能，比传统方式节能 30%左右。可见，其初投资可在几年之内收回，而且该系统环境效益显著。随着我国能源政策的不断深入推行，新能源和可再生能源技术的不断完善，从对环境效益与经济效益总体比较分析，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。如果能彻底解决土壤热失衡问题，地源热泵技术的应用范围将更加广阔。参考文献： [1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社, 2006. [2]中国建筑科学研究院.地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社. [3]刘宪英,王勇,胡鸣明,等.地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究 [J].重庆建筑大学学报,1999,21(5):21-26. [4]曲云霞, 张林华,方肇洪,等.地源热泵名义工况探讨[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2003,35(3): 221-225.

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