阜陽(yáng)地區(qū)地源熱泵冷熱平衡分析

王玉蓮 張茂榮

摘 ?要：該文對(duì)阜陽(yáng)地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行冷熱平衡計(jì)算。不同的空調(diào)末端形式，因同時(shí)使用系數(shù)存在差別，造成系統(tǒng)冷熱平衡是不同的。計(jì)算結(jié)果顯示地源熱泵系統(tǒng)的末端形式冬季采用地暖、夏季采用風(fēng)機(jī)盤管比冬夏都采用風(fēng)機(jī)盤管更有利于系統(tǒng)冷熱平衡。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)分析了系統(tǒng)運(yùn)行策略。同時(shí)針對(duì)該項(xiàng)目給出減少系統(tǒng)冷熱不平衡率的幾項(xiàng)技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：地源熱泵;冷熱平衡;末端形式

中圖分類號(hào)：TU831 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 緒論

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)幔ㄍ寥?、地下水和地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng)，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。在地源熱泵系統(tǒng)內(nèi)地源相當(dāng)于一個(gè)蓄冷蓄熱的載體，夏季通過(guò)熱泵空調(diào)向土壤（地下水、地表水）蓄熱，冬季通過(guò)熱泵空調(diào)向土壤（地下水、地表水）蓄熱。因此保證地源側(cè)的熱平衡是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的重要因素。即在計(jì)算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總的釋熱量與總的吸熱量應(yīng)平衡。該文針對(duì)阜陽(yáng)地區(qū)某小區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)冷熱平衡計(jì)算，針對(duì)系統(tǒng)不同的末端形式進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)提出了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的幾點(diǎn)建議。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于夏熱冬冷地區(qū)，安徽省阜陽(yáng)市?？偣┡?、制冷總建筑面積為15萬(wàn)m2，其中包括高層住宅、多層，別墅、幼兒園等，共739戶。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度夏季24℃～26℃，冬季16℃～18℃。

根據(jù)甲方要求：按照同時(shí)使用系數(shù)0.8配置冷熱源及其附屬設(shè)備。冷熱源采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，選用3臺(tái)螺桿式熱泵機(jī)組3臺(tái)，單機(jī)制冷量2 231 kW，制熱量2 231 kW，1臺(tái)離心熱泵機(jī)組，制冷量2 637 kW。

地埋管系統(tǒng)設(shè)置在小區(qū)地下車庫(kù)筏板下，分三個(gè)區(qū)域布置，埋設(shè)De25雙“U”形高密度聚乙烯管，埋管間距4.5密。地埋孔孔數(shù)按照熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，共1 160孔，孔深120 m。采用冷卻塔作為夏季輔助冷源?？照{(diào)末端：夏季采用風(fēng)機(jī)盤管，冬季采用地暖。

2 冷熱平衡計(jì)算

2.1 不同末端形式冷熱平衡計(jì)算

根據(jù)住宅空調(diào)系統(tǒng)的不同的末端形式計(jì)算出地埋管冷熱不平衡率。忽略項(xiàng)目入住率的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出系統(tǒng)末端形式及運(yùn)行策略。降低冷熱負(fù)荷的不均衡性是減小對(duì)冷熱不平衡影響最直接有效的辦法。

冷熱負(fù)荷采用同時(shí)使用各空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷綜合最大值。冷熱平衡采用最熱月中典型日24 h內(nèi)逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算當(dāng)日的冷熱量。每月按30天計(jì)，即可計(jì)算出當(dāng)月的冷熱量。根據(jù)每月室外平均溫度計(jì)算出供暖季、供冷季的冷熱量，進(jìn)行全年冷熱平衡分析。根據(jù)招標(biāo)文件：空調(diào)運(yùn)行時(shí)間夏季為5月20日～9月19日4個(gè)月;冬季為12月20日～3月19日3個(gè)月。計(jì)算時(shí)：空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷滿足冷熱負(fù)荷的需求，忽略系統(tǒng)負(fù)荷和室內(nèi)所需負(fù)荷的不匹配性，忽略管道系統(tǒng)的冷熱損失。熱泵的效率按照5計(jì)算，單冷離心機(jī)效率6.3計(jì)算。

2.1.1 空調(diào)末端冬夏均采用風(fēng)機(jī)盤管，計(jì)算系統(tǒng)的不平衡率

風(fēng)機(jī)盤管采用時(shí)間當(dāng)量計(jì)量系統(tǒng)。居住建筑夏季冷負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)在0.5左右。根據(jù)區(qū)域不同，該文計(jì)算采用空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)0.55計(jì)算。冷熱不平衡率-73.41%，即排熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于取熱，嚴(yán)重不平衡。該文通過(guò)計(jì)算提出相應(yīng)的2種解決方案：①設(shè)置輔助冷源;②增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。

2種解決方案的運(yùn)行方式及冷熱平衡計(jì)算：

①輔助冷源：設(shè)置一臺(tái)離心機(jī)組+冷卻塔作為輔助冷源。夏季供冷：開啟2臺(tái)地源熱泵機(jī)組+輔助冷源（離心機(jī)組+冷卻塔），冬季供熱：開啟3臺(tái)地源熱泵機(jī)組，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)不平衡率10.2%，可滿足冷熱平衡需求。②增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。運(yùn)行方式，夏季供冷：開啟3臺(tái)地源熱泵機(jī)組，開啟高溫?zé)岜脽崴畽C(jī)組制取生活熱水。過(guò)度季：高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。冬季供熱：開啟3臺(tái)地源熱泵機(jī)組，高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。高溫?zé)岜脵C(jī)組的制熱量780 kW，供熱水時(shí)間：14 h/d。經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)不平衡率-11%，可滿足冷熱平衡需求。

2.1.2 空調(diào)末端

夏季采用風(fēng)機(jī)盤管，冬季供暖采用地暖。地暖實(shí)施分戶熱計(jì)量，除別墅地暖分支路控制，其余建筑每戶設(shè)置一個(gè)分集水器及溫控系統(tǒng)，與風(fēng)機(jī)盤管作為末端完全不同，風(fēng)機(jī)盤管采用時(shí)間當(dāng)量計(jì)量系統(tǒng)。夏季供冷系統(tǒng)每戶同時(shí)使用系數(shù)0.63。該文風(fēng)機(jī)盤管同時(shí)使用系數(shù)為0.55，地暖的同時(shí)使用系數(shù)無(wú)參考可尋，該文計(jì)算地暖不同同時(shí)使用系數(shù)下熱平衡的變化趨勢(shì)。地暖系統(tǒng)的同時(shí)使用系數(shù)分別按照0.95、0.9、0.85、0.8、0.75計(jì)算熱平衡，計(jì)算結(jié)果如圖1。

從圖1可以看出：風(fēng)機(jī)盤管同時(shí)使用系數(shù)為0.55的情況下，地暖系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，滿足冷熱平衡需求。

綜合2種不同的末端形式：空調(diào)末端冬夏均采用風(fēng)機(jī)盤管，系統(tǒng)不平衡率-73.41%;空調(diào)末端：夏季采用風(fēng)機(jī)盤管，冬季供暖采用地暖。風(fēng)機(jī)盤管同時(shí)使用系數(shù)為0.55的情況下，地暖系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，滿足冷熱平衡需求。因此可以看出：地源熱泵系統(tǒng)的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風(fēng)機(jī)盤管比單一風(fēng)機(jī)盤管更有利于冷熱平衡。

地?zé)崞胶馐且粋€(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素影響。為防止出現(xiàn)取熱大于排熱的情況，系統(tǒng)預(yù)留其他輔助熱源接口，并預(yù)留輔助熱源的建筑條件，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，可適當(dāng)減少供暖天數(shù)減少取熱。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

從上述計(jì)算結(jié)果看，在阜陽(yáng)地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風(fēng)機(jī)盤管比單一風(fēng)機(jī)盤管更有利于冷熱平衡。冬夏均采用風(fēng)盤時(shí)，解決冷熱不平衡的方案：①設(shè)置輔助冷源;②增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。

3 減少系統(tǒng)不平衡率的技術(shù)措施

（1）在地埋管系統(tǒng)總管路上增加“熱計(jì)量系統(tǒng)”，對(duì)地埋管系統(tǒng)的取熱量及放熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、控制，為地埋管冷熱平衡提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)“人為”調(diào)整運(yùn)行策略，達(dá)到地埋管的冷熱平衡。

（2） 別墅及洋房的地暖系統(tǒng)控制方式為“分支路”控制，其溫控器安裝在各個(gè)房間內(nèi);高層地暖系統(tǒng)控制方式為“總管路”控制，其溫控器安裝在客廳等區(qū)域。

（3）地板采暖采用“熱計(jì)量或者流量”等收費(fèi)方式，減少系統(tǒng)熱量損耗。

（4） 預(yù)備一些調(diào)節(jié)地埋管系統(tǒng)冷熱平衡的預(yù)案，地埋管系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡時(shí)啟動(dòng)預(yù)案，象增加冷卻塔或者增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組，增加其他熱源接口。

（5） 夏季房間內(nèi)風(fēng)盤開啟時(shí)，有可能其他臨近房間未開啟，考慮到空氣流動(dòng)及負(fù)荷滲透等因素，此時(shí)該房間的實(shí)際負(fù)荷要大于常規(guī)計(jì)算負(fù)荷。另外，在風(fēng)盤選型時(shí)一般會(huì)適當(dāng)選大一些。因此在核算空調(diào)“制冷量”或者“使用率”時(shí)應(yīng)適當(dāng)放大。

（6）為了確保地埋管系統(tǒng)運(yùn)行安全，提高項(xiàng)目安全等級(jí)，及降低地埋孔的冷熱不平衡率，地埋孔分區(qū)設(shè)置，每個(gè)機(jī)組對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別設(shè)置測(cè)溫井，根據(jù)測(cè)得數(shù)值分區(qū)域運(yùn)行熱泵機(jī)組。

（7）可以通過(guò)調(diào)整“供冷、供暖天數(shù)”來(lái)調(diào)節(jié)地埋孔的冷熱平衡問題。

（8）采暖室外臨界溫度，一般民用建筑低于5℃確定供暖天數(shù)，阜陽(yáng)低區(qū)低于5℃天數(shù)供計(jì)71天。具體供暖天數(shù)由業(yè)主最終確認(rèn)。

4 結(jié)論

該文計(jì)算阜陽(yáng)地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡，并針對(duì)不同的末端形式計(jì)算系統(tǒng)的冷熱平衡，同時(shí)給出了相應(yīng)的解決方法。

空調(diào)末端冬夏均采用風(fēng)機(jī)盤管，冷熱不平衡率-73.41%，即排熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于取熱，嚴(yán)重不平衡。針對(duì)這種情況下不平衡率：該文通過(guò)計(jì)算提出相應(yīng)的2種解決方案：①設(shè)置輔助冷源;②增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。地源熱泵機(jī)組與輔助冷源供冷，冬季地源熱泵機(jī)組供熱。多余熱量排入大氣;冬夏季供冷供熱均采用地源熱泵系統(tǒng)，增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。多余熱量用于制取該項(xiàng)目全年生活熱水。經(jīng)計(jì)算，2種方案均可達(dá)到冷熱平衡。

從計(jì)算結(jié)果得出，在阜陽(yáng)地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風(fēng)機(jī)盤管比單一風(fēng)機(jī)盤管更有利于冷熱平衡。冬夏均采用風(fēng)盤時(shí)，解決冷熱不平衡的方案：①設(shè)置輔助冷源;②增設(shè)高溫?zé)岜脵C(jī)組制取生活熱水。

地?zé)崞胶馐且粋€(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素影響。為防止出現(xiàn)取熱大于排熱的情況，系統(tǒng)預(yù)留其他輔助熱源接口，并預(yù)留輔助熱源的建筑條件及電氣條件，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，可適當(dāng)減少供暖天數(shù)。

同時(shí)該文針對(duì)本項(xiàng)目給出減少系統(tǒng)冷熱不平衡率的幾點(diǎn)建議。

參考文獻(xiàn)

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