土壤排取熱量不均衡地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉啟明 高 朋 魏俊輝 王 偉 李向虎

土壤排取熱量不均衡地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉啟明 高 朋 魏俊輝 王 偉 李向虎

（北京市勘察設(shè)計研究院有限公司 北京 100038）

對于土壤排取熱量不均衡地區(qū)，地源熱泵應(yīng)用過程中常會出現(xiàn)土壤熱失衡問題，該問題嚴重制衡了地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)長期高效穩(wěn)定運行。針對此類地區(qū)土壤排取熱量嚴重失衡的特點，同時基于土壤排取熱量平衡的理念，提出太陽能對土壤進行全年補熱的地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)，并通過一個典型工程案例對地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)的設(shè)計思路、技術(shù)方案、運行策略、經(jīng)濟性能等方面進行了分析與研究。結(jié)果表明，相比于常規(guī)能源系統(tǒng)，本項目地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)每年可節(jié)能308萬kWh，節(jié)約運行費用47.64萬元，節(jié)能率達72.13%，節(jié)能減排及環(huán)境、社會效益非常顯著，以期為土壤排取熱量不均衡地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)研究及其工程應(yīng)用提供參考。

排取熱量；土壤熱失衡；地源熱泵

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)作為一種“綠色空調(diào)”，是以大地為冷熱源對建筑室內(nèi)環(huán)境進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。冬季，通過熱泵將大地中的低位熱能提高品味對建筑物供暖，同時存儲冷量，以備夏用；夏季，則通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對建筑物進行供冷，同時存儲熱量，以備冬用。由于土壤溫度受室外溫度影響較小，全年相對保持穩(wěn)定，這就保證了地源熱泵系統(tǒng)的正常運行，有利于提高地源熱泵系統(tǒng)的能效比，降低運行費用，達到節(jié)能、減排的效果[1]。在能源與環(huán)境問題日益突出的今天，地源熱泵系統(tǒng)自身所具備的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢，使這項技術(shù)日益受到人們的重視。

目前，對于土壤排取熱量不均衡地區(qū)應(yīng)用地源熱泵所出現(xiàn)的土壤熱失衡問題已逐漸引起國內(nèi)外相關(guān)研究人員的重視，并對土壤熱平衡的措施進行了研究與分析。Man[2]等對以冷卻塔作為輔助冷源的混合地源熱泵系統(tǒng)進行了模擬，研究結(jié)果表明：混合地源熱泵系統(tǒng)可有效解決地下土壤的“熱堆積”問題。舒海文[3]等利用TRNSYS軟件對冷卻塔與埋管換熱器的不同連接方式進行了模擬計算，得出了可保證地源熱泵系統(tǒng)長期高效運行的各種混合地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方案。余延順[4]等對太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)的供暖工況進行了模擬研究，得出哈爾濱地區(qū)太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)中太陽能保證率為50%～70%左右。Kjellson[5]等提出帶有太陽能集熱器的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，研究顯示通過太陽能集熱器向土壤回灌熱量可有效減少全年從地下土壤的凈取熱量。Wang[6]等對帶有太陽能跨季節(jié)儲能的太陽能-地源熱泵系統(tǒng)進行了實驗研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)能滿足全年供冷、供熱需求，且土壤溫度在冬季可用儲能維持在一個更高的溫度水平。

本文以北京市延慶區(qū)某村莊地源熱泵工程為研究對象，針對該項目所處嚴寒地區(qū)冬夏兩季排取熱量嚴重失衡的特點，同時基于土壤排取熱量平衡理念，提出太陽能對土壤進行全年補熱的地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)，并對其設(shè)計思路、技術(shù)方案、運行策略、經(jīng)濟性能等方面進行了分析與研究。

1 工程概況

本項目為北京市延慶區(qū)某村莊地源熱泵工程，總建筑面積近兩萬平米，包括村民住房180棟以及村委會一棟，絕大多數(shù)建筑屬于80年代翻建，其中含50年代建房31處，建筑類型絕大部分是1層民居，極少部分為2層民居，普遍存在安全隱患，水、電、路、氣、暖等基礎(chǔ)設(shè)施也均不同程度存在設(shè)施老舊、破損等問題。

根據(jù)本區(qū)域的地質(zhì)資料表明，項目場區(qū)所處地貌單元為山間盆地地貌，地形平坦開闊，三面環(huán)山，地勢由東北向西南傾斜，地層主要受媯水河沖洪積作用的影響。工程場區(qū)100m深度范圍內(nèi)為第四系松散沉積地層，地層巖性為細顆粒物（粘性土）和粗顆粒物（砂、卵石和礫石）交互地層，巖土體導(dǎo)熱性較好。受項目所在地市政、燃氣、熱力等能源條的制約，因此本項目采用地源熱泵系統(tǒng)作為主要冷熱源，項目改造后冬季可替代原有燃煤取暖，并解決夏季供冷問題。

2 設(shè)計思路

地源熱泵-太陽能耦合系統(tǒng)是綜合利用低品位的太陽能和地?zé)崮艿囊环N新型復(fù)合式系統(tǒng)，它綜合兩種可再生能源的優(yōu)點，又可相互彌補不足，是很有潛力的可再生能源建筑應(yīng)用新技術(shù)，具有巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和良好的環(huán)境效益。

根據(jù)本項目的建筑特點，結(jié)合地?zé)崮堋⑻柲艿雀鞣N可再生能源利用技術(shù)的基本原理、特點、適用范圍，針對該項目所處嚴寒地區(qū)冬夏兩季排取熱量嚴重失衡的特點，同時基于土壤排取熱量平衡理念（見圖1），采用太陽能對土壤進行全年補熱的地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)，擬解決項目后期運行過程中可能出現(xiàn)的土壤熱失衡問題，且規(guī)避了地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)長期運行造成“冷堆積”，并最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險。

3 技術(shù)方案

3.1 建筑全年逐時動態(tài)負荷計算

圖2 建筑全年逐時動態(tài)負荷分布

圖3 土壤年累計排取熱量

3.2 地埋管系統(tǒng)設(shè)計

圖4 地埋管系統(tǒng)設(shè)計報告

結(jié)合淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件，工程場區(qū)土壤初始溫度14.1℃，綜合導(dǎo)熱系數(shù)1.59W/(m·K)，綜合熱擴散率0.058m2/d，采用地下環(huán)路設(shè)計軟件（Ground Loop Design，GLD）進行地埋換熱系統(tǒng)設(shè)計，確定地埋管換熱器的形式、深度、數(shù)量、間距等，經(jīng)計算本項目地埋換熱孔設(shè)計數(shù)量為508個，地埋換熱孔孔深100m，地埋換熱孔占地面積為10287m2，設(shè)計結(jié)果如圖4所示。

3.3 年度地層平均溫度變化

根據(jù)工程場區(qū)所在地的淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件，依據(jù)熱儲法可按式（1）計算經(jīng)年度供冷、采暖季后地層平均溫度的變化。

式中：Δ平均溫度變化，℃；Δ年系統(tǒng)年排取熱量之差，kJ；Q為溫度變化1℃地層能夠釋放的熱量，kJ/℃。

3.4 陽能補熱系統(tǒng)設(shè)計

太陽能補熱系統(tǒng)所需提供的熱量可由式（2）求出。

太陽能補熱系統(tǒng)的集熱面積可根據(jù)式（3）求出。

式中：為太陽能補熱系統(tǒng)的集熱面積，m2；J為月平均日太陽能輻照量MJ/（m2·d）；η為太陽能集熱器全日集熱效率；為天數(shù)，365天。

延慶地區(qū)的月平均日太陽能輻照量J取17.217MJ/(m2·d)，太陽能集熱器全日集熱效率η取0.538，則太陽能補熱系統(tǒng)集熱面積至少為2386m2。

4 設(shè)備選型

項目主要設(shè)備表如表1所示。

表1 主要設(shè)備表

5 運行策略

本項目的系統(tǒng)運行原理詳見圖5，運行流程為夏季使用地源熱泵系統(tǒng)為建筑制冷，冬季使用地源熱泵系統(tǒng)為建筑供暖，太陽能補熱系統(tǒng)全年向地下土壤補熱。其中春、夏、秋季地源熱泵機組的地埋側(cè)回水先經(jīng)過補熱側(cè)板式換熱器將太陽能的熱量排至土壤再返回至地源熱泵機組；冬季地埋側(cè)回水則先吸取土壤的熱量后再經(jīng)過補熱側(cè)板式換熱器繼續(xù)吸收太陽能熱量，最后再返回至地源熱泵機組以便提高機組的進水溫度。

圖5 地源熱泵-太陽能耦合系統(tǒng)運行原理圖

系統(tǒng)的具體運行策略如下：

（1）集熱溫差循環(huán)

當(dāng)有太陽輻照時，由太陽能集熱器組成的集熱器陣列吸收太陽的能量，逐漸的加熱太陽能集熱器中的工質(zhì)，集熱器頂部溫度1迅速的升高，當(dāng)集熱器頂部溫度1與儲熱水箱水溫3的差值大于等于控制程序的設(shè)定值（一般設(shè)置為7℃，5℃～10℃可調(diào)）時，控制系統(tǒng)自動開啟太陽能集熱循環(huán)泵P1和集熱側(cè)換熱循環(huán)泵P2，通過板式換熱器換熱，將太陽能集熱器陣列所吸收的熱量存儲到儲熱水箱中；而當(dāng)1與3的差值小于控制程序的設(shè)定值時（一般設(shè)置為3℃，2℃～5℃可調(diào)），控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉太陽能集熱循環(huán)泵P1和集熱側(cè)換熱循環(huán)泵P2，停止集熱循環(huán)；由于循環(huán)水泵均停止工作，太陽能集熱器中的工質(zhì)在太陽的輻照下溫度再次很快升高，到滿足控制系統(tǒng)工作條件時開始下一輪循環(huán)，直到儲熱水箱內(nèi)的水溫3達到55℃（可自行設(shè)定調(diào)整）為止。

（2）補熱溫差循環(huán)

春、夏、秋三季系統(tǒng)運行時，當(dāng)儲熱水箱上部水溫2與地源熱泵地埋側(cè)回水水溫4的差值大于等于控制程序的設(shè)定值（一般設(shè)置為5℃，可自行設(shè)定調(diào)整）時，控制系統(tǒng)自動開啟補熱側(cè)換熱循環(huán)泵P3，電磁閥M2、M3、M4開啟，M1、M5、M6關(guān)閉，將儲熱水箱內(nèi)的熱量逐步轉(zhuǎn)移到地源熱泵地埋側(cè)回水中；而當(dāng)2與4的差值小于控制程序的設(shè)定值時（一般設(shè)置為2℃，可自行設(shè)定調(diào)整），控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉補熱側(cè)換熱循環(huán)泵P3，電磁閥M1、M4開啟，M2、M3、M5、M6關(guān)閉，停止換熱循環(huán)；由于循環(huán)水泵均停止工作，儲熱水箱內(nèi)的水溫會迅速升高，到滿足控制系統(tǒng)的工作條件時開始下一輪循環(huán)。

冬季系統(tǒng)運行時，當(dāng)儲熱水箱上部水溫2與地源熱泵地埋側(cè)回水水溫4的差值大于等于控制程序的設(shè)定值（一般設(shè)置為5℃，可自行設(shè)定調(diào)整）時，控制系統(tǒng)自動開啟補熱側(cè)換熱循環(huán)泵P3，電磁閥M1、M5、M6開啟，M2、M3、M4關(guān)閉，將儲熱水箱內(nèi)的熱量逐步轉(zhuǎn)移到地源熱泵地埋側(cè)回水中；而當(dāng)2與4的差值小于控制程序的設(shè)定值時（一般設(shè)置為2℃，可自行設(shè)定調(diào)整），控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉補熱側(cè)換熱循環(huán)泵P3，電磁閥M1、M4開啟，M2、M3、M5、M6關(guān)閉，停止換熱循環(huán)；由于循環(huán)水泵均停止工作，儲熱水箱內(nèi)的水溫會迅速升高，到滿足控制系統(tǒng)的工作條件時開始下一輪循環(huán)。

6 經(jīng)濟性能

根據(jù)項目具體情況計算系統(tǒng)的運行費用，并據(jù)此做出經(jīng)濟性分析。

經(jīng)濟性分析步驟如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)的運行策略確定在一天的不同時段內(nèi)設(shè)備的啟停及運行情況，計算系統(tǒng)當(dāng)天運行的總電耗和總電費；

（2）根據(jù)建筑全年逐時動態(tài)負荷及供冷、采暖時間，計算系統(tǒng)的全年總電耗和總電費；

（3）根據(jù)系統(tǒng)的全年總電耗和總運行電費，評估整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)（水冷機組+燃氣鍋爐）運行費用及能耗對比分析如表2所示。

表2 項目改造前后運行費用及能耗量對比分析表

由表2可看出，本項目采用地源熱泵—太陽能耦合系統(tǒng)，相比于常規(guī)能源系統(tǒng)，每年可節(jié)能308萬kWh，節(jié)約運行費用47.64萬元，每平米運行費用減少25.07元，節(jié)能率達72.13%；同時，本項目每年可節(jié)約1130.36噸標(biāo)煤，減少向大氣排放二氧化碳（CO2）2791.99噸（按碳計），減少向大氣排放二氧化硫（SO2）22.61噸，減少向大氣排放粉塵11.30噸，節(jié)能減排及環(huán)境、社會效益非常顯著。

7 結(jié)論

土壤熱失衡問題對于地源熱泵系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要，沒有土壤熱平衡方案的地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運行數(shù)年后可能會出現(xiàn)效率下降和持續(xù)運行效果變差的巨大風(fēng)險。本文通過一個典型工程案例，對土壤排取熱量不均衡地區(qū)地源熱泵-太陽能耦合系統(tǒng)的設(shè)計思路、技術(shù)方案、運行策略、經(jīng)濟性能等方面進行了詳細的闡述。希望本文能對土壤排取熱量不均衡地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計有一定參考作用，以幫助相關(guān)工程技術(shù)人員真正理解淺層地?zé)豳Y源的設(shè)計理念，從而正確的設(shè)計和使用淺層地?zé)豳Y源，使其真正的實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。

[1] 周復(fù)宗,劉啟明,申雪云,等.基于土壤排取熱量平衡理念的豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計[C].2016年全國工程勘察學(xué)術(shù)大會論文集（上冊）,2016,2:492-499.

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[3] 舒海文,端木琳,華蓉,等.寒冷地區(qū)土壤源熱泵冷熱源系統(tǒng)設(shè)計方案研究[J].太陽能學(xué)報,2008,29(11):1375- 1379.

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[5] Kjellsson E, Hellstrom G, Perers B. Optimization of systems with the combination of ground-source heat pump and solar collectors in dwellings[J]. Energy, 2010,35(6):2667-2673.

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Application Research of Ground Source Heat Pump Systemin Soil Discharge Unbalanced Area

Liu Qiming Gao Peng Wei Junhui Wang Wei Li Xianghu

( Beijing Geotechnical Institute, Beijing, 100038 )

For areas where heat is not concentrated in the soil, the problem of soil thermal imbalance often occurs in the application of ground source heat pump. This problem seriously checks the long-term efficient and stable operation of the ground source heat pump system in the region. Based on the concept of heat removal in soil and the serious imbalance of soil heat extraction in such areas, this paper proposed a ground source heat pump-solar coupling system that solar energy heats the soil throughout the year. Through a typical engineering case, the system design ideas, technical solutions, operational strategies, economic performance and other aspects were analyzed and studied. The results show that compared with the conventional energy system, the system can save 3.08 million kWh per year, save operating costs of 476,400 yuan, and save energy by 72.13%. The system has significant effects on energy saving, environmental and social benefits. This paper provides a reference for the related research and engineering application of ground source heat pump system in soil heat extraction area.

heat extraction; soil thermal imbalance; Ground source heat pump

TK529

A

1671-6612（2020）02-224-06

劉啟明（1982.01-），男，碩士，高級工程師，E-mail：liuqiming_bgi@126.com

2019-06-19