夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析

徐 輝 劉光遠(yuǎn) 楊衛(wèi)波

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源危機(jī)的加深，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)?？焖僭黾?，在夏熱冬冷地區(qū)使用尤為廣泛。地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于規(guī)模較大的多層住宅、辦公建筑和商場(chǎng)［1］，地埋管換熱器采用在規(guī)定區(qū)域內(nèi)密集分布的豎直單U或者雙U地埋管換熱管群，管間距為4 m～6 m。地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用閉式水循環(huán)的地埋管換熱器，不污染地下自然水源和生態(tài)環(huán)境，因此適用性更廣，穩(wěn)定性更高。但是經(jīng)過多年實(shí)際工程的應(yīng)用，也暴露出了不少問題，常見的一個(gè)問題是:在地埋管換熱管群布置范圍內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)冬夏兩季取熱量和放熱量不平衡，即土壤熱失衡問題。本文對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的熱平衡問題進(jìn)行分析，并針對(duì)不同工況提出了不同的解決方案。

1 熱平衡問題的由來(lái)

地源熱泵系統(tǒng)是以土壤、地下水或地表水為冷熱源，由熱泵機(jī)組、熱能交換系統(tǒng)、建筑內(nèi)部系統(tǒng)三部分組成的空調(diào)系統(tǒng)。夏季將地下土壤中的冷量取出用于空調(diào)，即將末端用戶使用的熱量蓄存于地下土壤;冬季，又將夏季蓄存的熱量從地下取出用于供暖，即將用戶的冷量蓄存于地下。如此往復(fù)，在冷、熱源交替使用的過程中，實(shí)現(xiàn)能源的可再生與高效利用［2］。但是地源熱泵系統(tǒng)夏季累計(jì)向土壤釋放的熱量與冬季從土壤取出的熱量不可能完全相等，對(duì)于單根或少量埋管來(lái)說(shuō)，完全可以靠土壤自身的熱擴(kuò)散來(lái)消除熱失衡帶來(lái)的影響。對(duì)于目前應(yīng)用較多的大面積密集布置管群而言，短時(shí)間的使用使得土壤溫度稍大于或者稍小于土壤初始溫度，對(duì)機(jī)組的影響不大，但是如果系統(tǒng)長(zhǎng)期取放熱不相等的運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致土壤熱量或冷量的堆積，使土壤溫度不斷上升或下降，從而導(dǎo)致地埋管換熱器溫度逐漸偏離適合溫度和系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年降低［3］。此外隨著土壤溫度逐年的變化，持續(xù)升高或者降低，土壤中各種生物的生態(tài)環(huán)境將可能受到破壞，從而影響地下生物鏈，甚至對(duì)人類的生活環(huán)境也產(chǎn)生影響［4］。

文獻(xiàn)［5］就地源熱泵系統(tǒng)熱不平衡問題進(jìn)行了研究，以冬夏3%和10%的不平衡率為條件，得出結(jié)果:以五年為周期，不平衡率為3%和10%的土壤溫度分別升高了0.81℃和2.77℃。說(shuō)明不平衡率越大土壤溫升也越大，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響也越大。

以地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際工程為例，如圖1所示，為8月22日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。上午冷凝器進(jìn)口溫度從26℃上升到中午的28℃，土壤溫度從24.5℃上升到26.1℃，系統(tǒng)COP從4.4下降到3.5;下午冷凝器進(jìn)口溫度從27℃上升到晚上的29℃，土壤溫度從25.8℃上升到27.3℃，系統(tǒng)COP從3.7℃下降到2.9℃。因此，土壤溫度的上升直接導(dǎo)致了系統(tǒng)COP的下降，如果系統(tǒng)熱不平衡率較高，經(jīng)過多年的運(yùn)行，土壤溫度的大幅上升就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率的降低，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。一般情況下，土壤溫度每升高1℃，取同樣冷量時(shí)導(dǎo)致能耗增加3%～4%［6］。因此熱平衡問題是地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行必須要考慮的一個(gè)重要因素。

2 熱平衡問題分析

地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷，冬季供熱，因?yàn)榻ㄖa(chǎn)生的冷熱負(fù)荷不相等，如果空調(diào)負(fù)荷全部由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，那么從土壤吸收的熱量和冷量也就不等。當(dāng)不平衡率過大，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加，熱量或冷量堆積，土壤溫度逐漸高于或低于土壤的初始溫度。

圖1 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度、冷卻水溫度及系統(tǒng)COP實(shí)測(cè)值

2.1 熱平衡問題分類

導(dǎo)致土壤熱失衡的原因有很多，主要是以下幾個(gè)方面:1)建筑冷熱負(fù)荷差異較大。2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了節(jié)省初投資減少地埋管的數(shù)量且沒有增加輔助設(shè)備。3)運(yùn)行管理不合理［7］。

根據(jù)熱失衡原因的不同，熱平衡問題可以分為以下幾種:

1)當(dāng)建筑冷熱負(fù)荷基本平衡或不平衡率較小，即系統(tǒng)的放熱量約等于吸熱量，本文稱之為“熱平衡”;

2)當(dāng)建筑冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，即系統(tǒng)的放熱量大于吸熱量且不平衡率較大時(shí)，本文稱“正失衡”;

3)當(dāng)建筑冷負(fù)荷小于熱負(fù)荷，即系統(tǒng)放熱量小于吸熱量且不平衡率較大時(shí)，本文稱“負(fù)失衡”。

下面對(duì)夏熱冬冷地區(qū)不同熱平衡問題進(jìn)行分析。

1)系統(tǒng)“正失衡”。

在長(zhǎng)江中下游夏熱冬冷地區(qū)，地源熱泵空調(diào)末端形式以風(fēng)機(jī)盤管夏季制冷、冬季供熱為主，所以空調(diào)冷熱負(fù)荷主要是由當(dāng)?shù)卮髿鉁囟葲Q定的。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)氣溫特點(diǎn)，地源熱泵系統(tǒng)主要表現(xiàn)為正失衡，部分地區(qū)不平衡率較低，表現(xiàn)為熱平衡。這是地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)出現(xiàn)的典型現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都對(duì)這些問題進(jìn)行了分析，本文不再詳細(xì)介紹。

2)系統(tǒng)“負(fù)失衡”。

近年來(lái)隨著居民生活水平的大幅提高，在住宅空調(diào)系統(tǒng)中，夏季使用風(fēng)機(jī)盤管制冷，冬季使用地板采暖供熱的末端形式得到了廣泛的應(yīng)用，但是根據(jù)大量工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)全年的放熱量小于取熱量。本文將以某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況為例，分析夏熱冬冷地區(qū)“負(fù)失衡”問題。

2.2 工程案例分析

圖2為某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年土壤吸放熱量，圖中橫坐標(biāo)代表時(shí)間刻度，縱坐標(biāo)代表地埋管側(cè)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)負(fù)荷，“土壤吸放熱”曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積為土壤的吸放熱量，“0”刻度線以上的面積為土壤吸熱量，“0”刻度線以下的面積為土壤放熱量。

圖2 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年土壤吸放熱量

圖3為地源熱泵系統(tǒng)用戶全年冷熱負(fù)荷，圖中縱坐標(biāo)代表用戶側(cè)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)負(fù)荷，“0”刻度線以上的面積為用戶全年需要的冷量，“0”刻度以下的面積為用戶需要的熱量。

圖3 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)用戶全年冷熱負(fù)荷

圖4 某小區(qū)地埋管周圍土壤-55 m處測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值

圖4為地埋管周圍土壤－55 m處測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值，圖中兩個(gè)測(cè)點(diǎn)水平位置分別位于四口地埋管井的正中間，垂直位置在地下55 m處。圖4為1號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)2012年3月份～9月份和2013年3月份～9月份的溫度分布，顯然，土壤經(jīng)過一年的吸放熱，溫度平均降低了0.3℃～0.4℃，這是系統(tǒng)“負(fù)失衡”問題在夏熱冬冷地區(qū)實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)。

經(jīng)過計(jì)算，用戶全年實(shí)際需要的冷量約為11.5 MkWh，需要的熱量反而高于實(shí)際所需冷量約為12.5 MkWh，該計(jì)算與設(shè)計(jì)所需冷熱量結(jié)論相反，這是由空調(diào)末端形式、當(dāng)?shù)貧鉁靥匦砸约爱?dāng)?shù)鼐用窨照{(diào)使用習(xí)慣所決定的。而土壤全年吸收的熱量約為9.5 MkWh，釋放的熱量約為 14.5 kWh，由此可以看出該系統(tǒng)為“負(fù)失衡”，且有一部分額外的負(fù)荷增加了系統(tǒng)的不平衡率，即生活熱水負(fù)荷。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè):

1)通常夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)采用風(fēng)機(jī)盤管制冷和供熱，由于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的溫度特性，空調(diào)系統(tǒng)全年需要的冷負(fù)荷會(huì)大于熱負(fù)荷，或者冷熱負(fù)荷差不多，這就決定了地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題表現(xiàn)為“正失衡”，或者因?yàn)椴黄胶饴瘦^小，系統(tǒng)冷熱平衡。然而該小區(qū)采用夏季風(fēng)機(jī)盤管制冷，冬季地板采暖供熱的空調(diào)末端形式，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)盤管對(duì)流換熱制冷速度快的特性，住戶只需要在有人的房間開啟風(fēng)機(jī)盤管，就能滿足舒適性要求，所以夏季風(fēng)機(jī)盤管的同時(shí)使用率較低。而冬季因?yàn)榈匕宀膳療彷椛涞奶匦?，需要較長(zhǎng)時(shí)間的蓄熱才能達(dá)到用戶的熱舒適性要求，所以一家住戶的每個(gè)房間的地板采暖系統(tǒng)必須同時(shí)開啟，才能滿足需求，導(dǎo)致在沒有人的房間也有了負(fù)荷，所以冬季熱負(fù)荷會(huì)大于夏季冷負(fù)荷，這是系統(tǒng)表現(xiàn)為“負(fù)失衡”的決定因素。

2)該工程的地源熱泵系統(tǒng)為整個(gè)小區(qū)提供生活熱水，對(duì)比圖2，圖3和計(jì)算的用戶冷熱量、系統(tǒng)吸放熱量，可以發(fā)現(xiàn)，夏季生活熱水負(fù)荷承擔(dān)了機(jī)組向土壤排放的一部分熱量，冬季增加了機(jī)組向土壤取出的熱量，且生活熱水負(fù)荷比較大，所以全年生活熱水的負(fù)荷大大增加了系統(tǒng)的熱不平衡率。

無(wú)論地源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)“正失衡”或者“負(fù)失衡”，如果失衡率較大，表明該系統(tǒng)可能無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。文獻(xiàn)［2］［6］均提出:當(dāng)不平衡率較小，即全年取放熱比小于1.2時(shí)，由于土壤本身具有一定的熱擴(kuò)散能力，土壤熱不平衡對(duì)熱泵運(yùn)行影響不大，不需要采取熱平衡措施;當(dāng)取放熱比大于1.2時(shí)，則要采取措施調(diào)整土壤熱平衡。

3 熱平衡問題的解決方案［8］

地埋管地源熱泵的熱平衡問題不是一個(gè)技術(shù)難題，出現(xiàn)的原因主要是設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的不當(dāng)。所以解決熱失衡問題可以從兩個(gè)方面著手:1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮合理的冷熱負(fù)荷，與地埋管數(shù)量相匹配，確定合理的地埋管間距，增加系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)施。2)因?yàn)闄C(jī)房操作人員多為非暖通專業(yè)技術(shù)人員，缺乏熱平衡問題及其影響因素的相關(guān)理論知識(shí)，他們認(rèn)為自動(dòng)控制就是最節(jié)能的運(yùn)行方案，不需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，或者是嫌麻煩，在負(fù)荷大的時(shí)候不開啟調(diào)峰設(shè)施進(jìn)行調(diào)峰，所以要培訓(xùn)操作人員，規(guī)范運(yùn)行管理。

本文就從設(shè)計(jì)階段或工程改造方面提出熱平衡問題的各種解決方案，做了簡(jiǎn)單的總結(jié):

1)系統(tǒng)全年“正失衡”問題解決方案。

在長(zhǎng)江中下游夏熱冬冷地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)主要表現(xiàn)為正失衡，部分地區(qū)不平衡率較低，表現(xiàn)為熱平衡。解決夏熱冬冷地區(qū)正失衡問題的常規(guī)解決方案有:

方案1:地埋管+地源熱泵機(jī)組+冷卻塔。

對(duì)于夏季冷負(fù)荷較大的工程，可在夏季將系統(tǒng)部分熱量通過冷卻塔排到大氣中，減少土壤夏季吸收的熱量，從而達(dá)到土壤全年溫度的平衡。

方案2:地埋管+熱回收式熱泵機(jī)組。

近年住宅建筑的設(shè)計(jì)中逐漸采用集中供生活熱水的方式，回收熱泵機(jī)組將本該排放到地下土壤的冷凝熱，用于加熱生活熱水，從而減少熱量向土壤的排放。

方案3:地埋管+地源熱泵機(jī)組+蓄冷設(shè)備。

若系統(tǒng)按冬季供熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)全年向土壤排放的熱量比吸收的熱量多，多出的部分可由蓄冷等設(shè)備來(lái)承擔(dān)，補(bǔ)償?shù)卦礋岜孟募竟├淞康牟蛔?，從而保證土壤熱平衡。

2)系統(tǒng)全年“負(fù)失衡”問題解決方案。

本文前面已經(jīng)提到，夏熱冬冷地區(qū)有部分地源熱泵系統(tǒng)末端形式為風(fēng)機(jī)盤管加地板采暖，或者供熱時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)際運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)全年制冷量小于供熱量的情況，并且工程的生活熱水也是由熱泵機(jī)組提供，所以熱平衡問題表現(xiàn)為負(fù)失衡。解決夏熱冬冷地區(qū)負(fù)失衡問題的解決方案有:

方案4:地埋管+地源熱泵機(jī)組+輔助熱源。

對(duì)于冬季熱負(fù)荷較大或者供熱時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)全年放熱量小于吸熱量的夏熱冬冷地區(qū)，熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行必然導(dǎo)致土壤熱失衡，為了使機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，可以增加輔助熱源來(lái)減少系統(tǒng)從土壤中吸收的熱量，如工業(yè)廢水熱回收、城市熱水管網(wǎng)或者電加熱設(shè)備等。

方案5:地埋管+地源熱泵機(jī)組+太陽(yáng)能系統(tǒng)。

若地源熱泵系統(tǒng)是按夏季冷負(fù)荷進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，那么用戶冬季高出夏季的那部分負(fù)荷需求則采用太陽(yáng)能制熱水的方式來(lái)承擔(dān)，從而減少熱泵系統(tǒng)從土壤中吸收的熱量，既解決了熱平衡問題，又使系統(tǒng)更加節(jié)能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題是由建筑所需的冷熱負(fù)荷決定的，而建筑實(shí)際所需的冷熱負(fù)荷是由建筑當(dāng)?shù)氐臍鉁靥匦院涂照{(diào)系統(tǒng)末端形式?jīng)Q定的。所以設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)確的負(fù)荷計(jì)算和空調(diào)末端形式的考慮是解決系統(tǒng)熱平衡問題的關(guān)鍵。

2)地源熱泵系統(tǒng)熱失衡的程度受生活熱水負(fù)荷的影響。當(dāng)系統(tǒng)“正失衡”時(shí)，生活熱水負(fù)荷的產(chǎn)生或者變大，會(huì)使得系統(tǒng)熱失衡率變小，或者接近熱平衡;當(dāng)系統(tǒng)“負(fù)失衡”時(shí)，生活熱水負(fù)荷的產(chǎn)生或熱水負(fù)荷變大，系統(tǒng)熱失衡率反而會(huì)越大。所以設(shè)計(jì)階段，生活熱水負(fù)荷的考慮和準(zhǔn)確計(jì)算也是解決系統(tǒng)熱平衡問題的關(guān)鍵。

3)夏熱冬冷地區(qū)，大部分地源熱泵系統(tǒng)都存在熱平衡問題。部分系統(tǒng)不平衡率較低，不影響機(jī)組正常運(yùn)行;部分系統(tǒng)表現(xiàn)為“正失衡”，通過冷卻塔等輔助設(shè)備可以解決。但是空調(diào)末端為風(fēng)機(jī)盤管加地板采暖的系統(tǒng)，表現(xiàn)為“負(fù)失衡”，這與夏熱冬冷地區(qū)典型的正失衡問題不同，筆者將通過調(diào)研不同的工程，對(duì)這個(gè)問題做深入研究。

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