地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應用

白彬

摘 要：在能源危機持續(xù)加劇及環(huán)境不斷惡化的今天，我國能源發(fā)展的主題已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能、環(huán)保。為減緩能源消耗速度，開發(fā)及利用可再生能源顯得尤為重要。作為一種利用可再生能源的空調(diào)采暖系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)目前在各類建筑物內(nèi)得到了廣泛應用。相比傳統(tǒng)供熱空調(diào)系統(tǒng)，地源熱源系統(tǒng)的優(yōu)點為高效、節(jié)能、環(huán)保、無污染、且占地面積小等。但在實際應用過程中，往往會存在大量問題，如熱堆積現(xiàn)象等，為解決此類問題，冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)得以利用，該系統(tǒng)的應用更具經(jīng)濟性，且效果更佳。為此，本文在充分了解冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，對暖通空調(diào)節(jié)能中冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)的應用進行了分析與探究。

關(guān)鍵詞：地源熱泵技術(shù)；暖通空調(diào)；冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)

中圖分類號：TE08 文獻標志碼：A

伴隨我國國民經(jīng)濟的快速增長，節(jié)能減排已經(jīng)成為建筑業(yè)發(fā)展的重要問題。在暖通空調(diào)節(jié)能方面，地源熱泵系統(tǒng)因其良好的環(huán)保、節(jié)能特性得到了大力推廣。但在系統(tǒng)具體運作過程中，相比冬季由土壤內(nèi)吸收熱量，夏季排放到土壤內(nèi)熱量過大的情況下，極易出現(xiàn)熱堆積效應，進而增加土壤溫度，導致地源熱泵系統(tǒng)換熱溫差與穩(wěn)定數(shù)值之間產(chǎn)生偏差，因土壤溫度持續(xù)增加，將嚴重影響機組及制冷效率，為此，如何解決熱堆積問題，對地源熱泵系統(tǒng)運行正常影響巨大。冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)的應用，能夠有效結(jié)合使用地源熱泵、冷卻塔兩種系統(tǒng)形式，此方式可對地源熱泵系統(tǒng)運行缺陷進行有效改善，同時，還能有效控制地埋管用量，降低占地面積，對地埋管全面放熱量、吸熱量進行充分平整。為此，冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)節(jié)能中得到了廣泛應用。

1 冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)原理

作為一種高效、經(jīng)濟，且節(jié)能環(huán)保的技術(shù)，地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)節(jié)能方面得到了廣泛應用。但在地源熱泵系統(tǒng)實際使用中，因地埋管散熱、吸熱量差異等因素，導致土壤熱平衡問題愈加凸顯。一般情況下，地源熱泵系統(tǒng)要求必須滿足全年工況要求，如我國南方區(qū)域，建筑熱負荷明顯在冷負荷以上，因此，地埋管散熱器內(nèi)夏天向土壤內(nèi)排放的熱量要遠遠大于冬天由土壤內(nèi)獲取的熱量，則北方區(qū)域反之。雖然土壤存有相應的自我恢復能力，但在長期運轉(zhuǎn)過程中，仍會導致土壤溫度升高或下降，進而影響地埋管換熱器的換熱功能，影響地源熱泵節(jié)能效果的發(fā)揮，更嚴重地會增大能耗。復合式地源熱泵系統(tǒng)是指將地源熱泵系統(tǒng)結(jié)合其他形式加熱或散熱系統(tǒng)使用的系統(tǒng)形式，該方式的應用，可對地源熱泵系統(tǒng)的運行性能進行有效改善，是地埋管數(shù)量、占地面積減少的重要方式。目前以系統(tǒng)數(shù)量劃分，可將冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)分為兩種形式，即雙系統(tǒng)、單系統(tǒng)。雙系統(tǒng)形式的主要組成部分為冷水機組、地源熱泵機組，冷水機組散熱主要由冷卻塔負責，熱泵機組散熱、吸熱則由地埋管負責。單系統(tǒng)形式的主要構(gòu)成部分為散熱系統(tǒng)、地埋管系統(tǒng)。根據(jù)冷卻塔與地埋管連接方式的不同，可將冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)分為兩種，即串聯(lián)、并聯(lián)式。如圖1所示。

以上兩種形式各具特點，如串聯(lián)式的特點為具有較為簡單的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的系統(tǒng)，且易于控制；并聯(lián)式不存在冷卻塔系統(tǒng)、地埋管系統(tǒng)互相干擾現(xiàn)象，在熱泵機組運行內(nèi)可單獨用作冷源，可實現(xiàn)以上兩個系統(tǒng)一起運行。在具體工程應用中，應根據(jù)實際情況，合理選擇串聯(lián)或并聯(lián)形式。

2 工程概況

某建筑工程分為3個區(qū)域，即I、II、III區(qū)，7652m2為其建筑總面積，其中辦公用房分別位于I、II區(qū)，樓層都為6層?；诮?jīng)濟性原理，為達到建筑制冷、采暖要求，決定選用豎直埋管的冷卻塔復合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。表1、表2分別為室內(nèi)、室外設(shè)計參數(shù)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，以690kW為夏季空調(diào)的冷負荷值；570kW為冬季空調(diào)熱負荷值。

根據(jù)公式（1）、公式（2）可分別計算地埋管換熱器負荷中夏季排熱量及冬季吸熱量，具體如下：

夏季排熱量Q排=Q0×（1+1/EER） （1）

夏季排熱量Q吸=Q1×（1-1/COP） （2）

其中，空調(diào)設(shè)計冷負荷可由Q0表示；

空調(diào)設(shè)計熱負荷可由Q1表示。

熱泵機組制冷性能系數(shù)可由EER表示。

熱泵機組制熱性能系統(tǒng)可由COP表示。

通過上式可得，811.5kW為夏季排放至土壤內(nèi)的熱量值，而438.4kW為冬季吸取土壤內(nèi)的熱量值。

3 暖通空調(diào)節(jié)能中地源熱泵技術(shù)的應用要點分析

3.1 熱響應試驗

為滿足供暖、排熱、制冷需求，需測試鉆孔埋管換熱性能。要求以單“U”形管為主，100m為其深度，32mm為管外徑，細砂為回填材料。測試結(jié)果顯示，夏季排熱量平均為50W/m，冬季吸熱量平均為40W/m，16.2℃為巖土最初溫度，1.72W/（m·k）為導熱系數(shù)。由此可見，本地區(qū)土壤地層平均導熱系數(shù)一般，為中等水平，以細砂作為回填材料與此地地質(zhì)條件相符。同時，埋管以豎直單“U”形管為主較為合理，且更具經(jīng)濟性。

測試環(huán)節(jié)，現(xiàn)場供電參數(shù)存在較大波動，除此之外還產(chǎn)生瞬時停電現(xiàn)象，這種情況下，將嚴重影響循環(huán)水流量與測試結(jié)果的準確性。由于多種原因都會影響地埋管單位孔深熱交流量，為此，在地源熱泵運行工況一定的情況下，應在30℃、25℃、2℃、6℃分別控制地埋管循環(huán)水側(cè)夏季進水溫度、出水溫度及冬季進水溫度、出水溫度。

3.2 地埋管換熱器系統(tǒng)

（1）地埋管換熱器設(shè)計

一般可在建筑物周圍布設(shè)室外地埋管，5m×5m為孔距，共設(shè)124個鉆孔，0.15m為孔徑。同樣選用單“U”形管，0.032m為管外徑，102m為鉆孔深度，但埋管有效深度只有100m。為保證地埋管換熱器功能地充分發(fā)揮，要求在室外檢查井二級集水、分水器上連接各個豎井的供水、回水管，根據(jù)工程建設(shè)需求，室外檢查井布設(shè)數(shù)量為8個。檢查井各個集分水器需進行豎井換熱器連接，數(shù)量為12～16個，并將平衡閥安設(shè)于二級集水器內(nèi)，同時，將流量調(diào)節(jié)閥安設(shè)于分水器內(nèi)，通過水平干管進行二級集分水器與機房一級集分水器連接。

（2）埋管形式

本工程以豎直埋管為主，選取密度較高的聚乙烯PE管作為管材，鉆孔—二級集分水器PE管、二級集分水器—一級集分水器PE管承壓分別為1.6MPa、1.0MPa。

（3）地埋管水系統(tǒng)形式

以一次泵定流量系統(tǒng)為主，通過同程進行管道敷設(shè)，要求在地面下方1.5m位置設(shè)置水平干管，為避免冬季天氣寒冷出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，必須做好保護措施，如黃砂層等。為增強防凍效果，可將乙二醇防凍液（25%）摻加到地下?lián)Q熱器內(nèi)，進而提高地源熱泵機組運行的安全性。

（4）土壤熱平衡

為確保地熱熱泵機組運行安全、持續(xù)，地熱熱泵熱平衡極為重要。因夏冬兩季排熱、吸熱量不同，系統(tǒng)長期運行必定會對地下巖土體熱平衡造成嚴重影響。通過計算可得，相比冬季吸熱量，夏季排熱量為其兩倍左右。為滿足節(jié)能的要求，需多設(shè)置一臺冷卻塔加以輔助，盡可能降低巖土體內(nèi)夏季的排熱量。

（5）回填

管材下放前期，需做好壓力試驗工作，保證管道質(zhì)量合格才能開始回填施工。為提高地下?lián)Q熱器傳熱能力，應避免斷層問題出現(xiàn)于回填豎井內(nèi)，防止對換熱器換熱性能造成不利影響。依照測試結(jié)果可見，回填細砂材料時，應適量摻加一些泥漿，待計量準確后即可進行回填施工。

3.3 運行情況分析

設(shè)計環(huán)節(jié)因溫度監(jiān)測點未設(shè)置到地埋管換熱器四周，后期根本不能對兩季地下巖土體平均溫度等進行觀測。但可通過運行監(jiān)測獲取相應數(shù)據(jù)進行分析，具體如下。

（1）自投入使用后，系統(tǒng)運行過程中，地源熱泵主機還沒有啟動，待地源側(cè)循環(huán)水泵運行1h之后，即可進行地下巖土體平均溫度地測量，結(jié)果為15.8℃，與熱響應測試結(jié)果相比，溫差較小。

（2）系統(tǒng)運作正常的情況下，11.7℃、8.3℃分別為冬季地埋管水側(cè)出口、進口溫度，通過觀測系統(tǒng)每日運行情況，早上8點測量出口溫度在11.7℃以上，在運行時間不斷增加的同時，出口溫度將逐步下降，最終可達到9.8℃左右，由此可見，通過觀測系統(tǒng)運行情況，可將土壤溫度變化情況進行充分反映。

結(jié)語

綜上所述，相比其他技術(shù)，地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益更佳，且具備良好經(jīng)濟性，因此在暖通空調(diào)節(jié)能方面得到了廣泛應用。本文在充分了解冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程情況，對暖通空調(diào)節(jié)能中冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能應用進行了分析，通過分析可見，此類地源熱泵系統(tǒng)不僅能夠解決熱堆積問題，同時更具節(jié)能效果。

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