地源地埋管土壤換熱器加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

1、地源（地埋管土壤換熱器）加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用太原市建筑設(shè)計研究院 申達孝、張愛萍 山西美盛環(huán)境工程技術(shù)有限公司 任永生中華人民共和國可再生能源法已于2006年1月1日開始施行。我國可再生能源戰(zhàn)略定位已確定，供熱將以太陽能和地?zé)崮転橹鳌?010年前后，可再生能源占到能源消費的10左右，戰(zhàn)略定位是補充能源，可再生能源的開發(fā)與利用要從2020年前后的替代能源、2030年前后的主流能源過渡到2050年前后的主導(dǎo)能源。熱泵技術(shù)是利用少量高品位的電能將低品位的淺層地溫提升加以利用的一種綠色技術(shù)。特別是地源熱泵系統(tǒng)，以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C組地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱

2、空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形成的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)，地下水熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水/空氣熱泵機組的一種應(yīng)用方式，即用水環(huán)路將小型的水/熱泵機組并聯(lián)在一起，形成一個封閉環(huán)路，構(gòu)成一套回收建筑物內(nèi)部余熱作為其低位熱源的熱泵供暖、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。典型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由三部分組成，(1)室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機組,(2)水循環(huán)環(huán)路,(3)輔助設(shè)備（如冷卻塔、加熱設(shè)備、蓄熱設(shè)備等）。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理是：在水/空氣熱泵機組制熱時，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱源；機組制冷時，則以循環(huán)環(huán)路中的水為排熱源，當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運行的吸熱量小

3、于制冷運行的放熱量時，循環(huán)環(huán)路中的水溫升高到一定程度時，利用冷卻塔放出熱量。反之，循環(huán)環(huán)路的水溫降低到一定程度時，通過輔助加熱設(shè)備（如燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t、工業(yè)余熱、電加熱等）吸收熱量。只有當(dāng)水/空氣熱泵機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時的系統(tǒng)運行是最高效、也是最節(jié)能的。 水環(huán)熱泵的最大優(yōu)勢在于水溫條件相對穩(wěn)定、波動范圍小于空氣溫度變化、使運行可靠穩(wěn)定、無需專用機房，節(jié)省占地面積，特別是對于某些有特殊功能的建筑，在供暖的同時需要個別房間制冷（如醫(yī)院的大型血站），大進深有內(nèi)區(qū)余熱的超市，需要把內(nèi)區(qū)的多余熱量向外區(qū)轉(zhuǎn)移。這些都給水環(huán)熱泵的

4、使用提供了條件。但是，在制冷工況時，需要配置冷卻塔排熱，在冬季供暖時又需要配置輔助加熱設(shè)備是水環(huán)熱泵推廣使用的最大難點。 本工程使用以地埋管土壤換熱器形式的地源熱泵加水環(huán)熱泵的終端空調(diào)系統(tǒng)，可圓滿地克服單純使用水環(huán)熱泵系統(tǒng)的一切弊端，冬季全部熱量取自地埋管系統(tǒng)，不附帶任何輔助加熱設(shè)備，夏季空調(diào)系統(tǒng)排出的熱量全部由地埋管系統(tǒng)傳入土壤中，不需要加冷卻塔。中國民航華北局山西空中安全監(jiān)督局綜合樓建筑面積12191.16m2，地上5層，地下1層，冬季熱負(fù)荷780KW，夏季冷負(fù)荷984 KW，要求飛行人員公寓全天供應(yīng)生活熱水。為此，我們設(shè)計了地源（地埋管土壤換熱器）加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，這是山西省第一個完成

5、的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如下：地源（地埋管土壤換熱器）加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖地源（地埋管換熱器）加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，除在液晶控制版上顯示溫度、冷媒、水流量等基本運行數(shù)字外，還增加了地源側(cè)水泵、熱水供水泵的進出水溫度，以及相關(guān)電動閥的開關(guān)情況。在一般情況下，我們系統(tǒng)的實際運行過程中，大多數(shù)系統(tǒng)都存在系統(tǒng)水、熱源進出口溫差小于設(shè)計溫差的現(xiàn)象。這充分說明大多數(shù)水泵的流量與揚程都相對偏大。另外，隨著季節(jié)、晝夜以及用戶自身要求的變化，常規(guī)控制系統(tǒng)只能根據(jù)實際需求適時壓縮機的增、卸載，而水泵等附屬設(shè)備依舊按照滿載負(fù)荷時運行工作。以上情況說明，使用不具備負(fù)載隨動調(diào)節(jié)性能的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)運行中水泵

6、的能耗浪費是很大的，水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20%-40%。所以一定要節(jié)約低負(fù)荷時水泵的電能消耗，這一關(guān)，使用變頻技術(shù)可實現(xiàn)水泵的節(jié)能。由流體力學(xué)的基本定律可知，泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及功率P具有如下關(guān)系，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。其數(shù)學(xué)表達方式為：Qn,Hn2,Pn3。如下圖示為揚程H-流量Q曲線特性圖：水泵在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時水泵所需的功率P正比于H1 與Q1的乘積，即正比于AHOQ1面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網(wǎng)阻力，使水泵的工作點

7、移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時水泵所需的功率P正比于H2 與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然水泵所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取的簡單控制方式。N1-代表電機在額定轉(zhuǎn)速n1運行時的特性；N2-代表電機降速運行在n2轉(zhuǎn)速時的特性；R1-代表水泵類管路阻力最小時的阻力特性；R2-代表水泵管路阻力增大到某一數(shù)值時。若采用變頻調(diào)速，水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2 ,這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2 ，壓力由H1降到H3，這時變頻調(diào)速后水泵所需的功率正比于H3 與Q2的乘積，即正比于CHOQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。

8、對于水泵采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下方式進行計算：若采用變頻調(diào)速，水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時工作點A點移到C點，流量仍是Q2 ，壓力由H1降到 H3，這時變頻調(diào)速后水泵所需的功率正比于H3 與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2面積，由圖可見功率的減少是明顯的。地源（地埋管換熱器）加水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)尤其適合變頻。如果我們設(shè)定本系統(tǒng)的阻力為24M，而所選擇的水泵揚程為32M。要采用變頻系統(tǒng)，由上述計算公式可見：（H1/H2）1/2=n1/n2 ，P1/P2= (H1/H2) 3/2,則揚程H變?yōu)樵瓉淼?5%，輸入功率P1=（24/32）3/2，則P2=65%，通過計算可知，即使機組運行

9、工況不變，水泵處于全負(fù)荷運行，也要節(jié)能35%。本系統(tǒng)已成功運行了兩年，各項熱工指標(biāo)達到了設(shè)計的目標(biāo)，實現(xiàn)了節(jié)能減排的要求。地源（土壤換熱器）加水環(huán)熱泵系統(tǒng)的成功運行是一項很大的嘗試。其主要特點是不要增加如冷卻塔、鍋爐等輔助 設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備的初投資費用和機房面積，能夠?qū)崿F(xiàn)供熱、制冷、生活熱水的三聯(lián)供，并可在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)供暖和制冷的同時運行，尤其是水環(huán)熱泵系統(tǒng)由智能液晶顯示就地控制，室內(nèi)的工況可實現(xiàn)人為的需求控制，可顯示室內(nèi)溫度、循環(huán)水的溫度，并實現(xiàn)循環(huán)水溫的報警，以及壓縮機的高低壓報警。但在系統(tǒng)的實際運行中，水環(huán)中的取熱和補熱很難達到理想的冷熱平衡狀態(tài)，這種情況尤其在夏季工況時表現(xiàn)的更為突出，主要是運行時會造成水環(huán)管路系統(tǒng)大面積的結(jié)露。所以在水環(huán)管路中作防結(jié)露保溫是十分