土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器熱平衡問題及解決方案

1、第 31卷 第 1期2011年 3月黑 龍 江 冶 金Heilongjiang MetallurgyVol31No1March2010收稿日期 :20101223作者簡介 :范龍華 , 畢業(yè)于黑龍江省機械制造學校 , 鍋爐制造專業(yè) , 現(xiàn)就職于華潔公司 , 從事新能源開發(fā)工作 。土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器熱平衡問題及解決方案范龍華 1, 王勇2(1哈爾濱華潔有限責任公司 , 哈爾濱 150001; 2哈爾濱物業(yè)供熱集團有限責任公司 摘要 :本文介紹了土壤源熱泵導致的土壤吸 、 放熱不平衡以及解決這種熱失衡的兩種方案 。關(guān)鍵詞 :地源熱泵 ; 地埋管換熱器 ; 性能系數(shù) COP ; 能效比 E

2、ERHeat Balance Problem Ground Heat Exchanger and Solutions inGround source Heat Pump SystemFan Longhua , Wang Yong(1Huajie Co, Ltd, Harbin 150001China ; 2Harbin property heating group Co, Ltd Abstract :This article introduces tow options leads to soil heat absorbing , exothermic imbalance and solves

3、 the thermal imbalance of that the ground source heat pumpKeyWords :ground source heat pump ; buried tube exchanger ; coefficient of performance ; energy efficiency ratio地源熱泵是以地表為熱源的綠色節(jié)能技術(shù) 。豎直埋管換熱器通常埋深在 30 100m 之間 , 其熱 交換對象是深層土壤 ,而深層土壤又不可能與地 表環(huán)境進行充分的熱交換 , 就容易使得土壤出現(xiàn) 取 、 放熱的不平衡 。1地下土壤熱失衡的原因我國幅員遼闊 , 各地

4、域建筑物在一年之中的 冷 、 熱負荷相差甚大 。 冬季通過熱泵提取地下的低位熱能給建筑物供暖 , 同時 , 地下土壤的溫度降 低 ; 夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地 , 對建筑物降溫 , 同時 , 地下土壤的溫度升高 。 顯 然 , 這種溫度的升高或降低 , 對當年采暖 (或空調(diào) 季的地埋管換熱器的傳熱性能有一定影響 。 如果 在 1年中冬季從地埋管換熱器中抽取的熱量與夏 季向地埋管換熱器輸入的熱量平衡 , 則地埋管換 熱器在數(shù)年的長時間運行后 , 地下的年平均溫度 沒有變化 , 對地埋管換熱器的性能沒有影響 。 在 夏熱冬冷地區(qū) , 供冷和供暖的天數(shù)相差無幾 , 冷熱負荷基本相等 ,

5、 因此 , 垂直地埋管地源熱泵的最佳 使用區(qū)域是夏熱冬冷和冬夏冷熱負荷相當?shù)牡貐^(qū) 。 在寒冷地區(qū)由于其冬季熱負荷大于夏季冷負 荷 , 造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土 壤的排熱量 , 致使土壤溫度逐漸降低 、 設(shè)備耗功率 上升 、 供熱性能系數(shù) COP 降低 , 一般情況下 , 土壤 溫度降低 1 , 會使制取同樣熱量的能耗增加 3% 4%。 同理 , 對于南方地區(qū) , 由于夏季空調(diào)冷負荷大于冬季熱負荷 , 可能造成地下土壤的溫度升高 , 進而致使機組的冷凝溫度提高 、 制冷量減少 、 設(shè)備耗功率上升 。 因此 , 維持垂直埋管地源熱泵 地下?lián)Q熱系統(tǒng)的吸 、 放熱平衡是熱泵系統(tǒng)正常 、

6、高 效運行的可靠保證 。2太陽能 地源熱泵系統(tǒng)21利用太陽能的可行性在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū) , 垂直地埋管熱泵的地下?lián)Q熱系統(tǒng)冬季向土壤吸收的熱量遠大于夏季 向土壤的排放熱量 。 此時 , 為了使土壤能夠維持44第 1期 范龍華 , 等 :土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器熱平衡問題及解決方案熱平衡狀態(tài) 、 保證熱泵的運行效率 , 就需要增設(shè)一 個向系統(tǒng)提供熱量的輔助熱源 。 太陽能作為一種 取之不盡 、 用之不竭的綠色環(huán)保能源 , 在日照條件 好的情況下 , 以太陽輻射熱作為蒸發(fā)器熱源的熱 泵系統(tǒng)可以獲得較高的蒸發(fā)溫度 , 其系統(tǒng)的能效 比 (COP 可達到 4以上 。 可見 , 以太陽能作為土 壤源

7、熱泵的輔助熱源是非?？尚械?。22系統(tǒng)組成及工藝原理聯(lián)合運行的供熱系統(tǒng)由 4個分系統(tǒng)組成 :地 下埋管換熱器閉式循環(huán)系統(tǒng) 、 渦旋壓縮式熱泵機 組制熱循環(huán)系統(tǒng) 、 太陽能集熱系統(tǒng)和空調(diào)末端系 統(tǒng) 。土壤源熱泵機組的制熱量是由蒸發(fā)器的吸熱 量決定的 , 而蒸發(fā)器的吸熱量與蒸發(fā)溫度和地熱 換熱器出口水溫有關(guān) , 地熱換熱器出口水溫又與 地熱換熱器的長度 、 土壤溫度及系統(tǒng)連續(xù)運行時 間等因素有關(guān) 。 當系統(tǒng)連續(xù)長時間運行后 , 土壤 溫度會逐漸降低 , 從而導致地熱換熱器出口溫度 降低 , 熱泵制熱循環(huán)中的蒸發(fā)器溫度也會隨之下 降 , 最后導致熱泵耗能增加 、 制熱量不足 。 太陽能 與土壤源熱泵

8、聯(lián)合供熱系統(tǒng)就是通過太陽能集熱 器采集太陽能并傳遞給熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器以解決 這種供需矛盾 。23系統(tǒng)的運行方式231串聯(lián)運行當室外溫度很低 , 建筑的熱負荷較大 , 單獨采 用地埋管換熱不能滿足采暖要求時 , 可采用串聯(lián) 運行的方式 , 太陽能采集的熱量存儲在蓄熱水箱 中 , 地埋管中的水先在土壤中吸收部分熱量 , 然后 再經(jīng)過蓄熱水箱進一步升溫 , 從而提高其進入蒸 發(fā)器時的溫度 , 隨著蒸發(fā)器溫度的提高 , 熱泵機組 的性能系數(shù) COP 也隨之相對提高 , 系統(tǒng)可以向用 戶提供更多的熱量以滿足采暖要求 。232并聯(lián)運行并聯(lián)系統(tǒng)是將太陽能輔助熱源和地熱源并 聯(lián) 。 若單獨采用地源熱泵供熱 ,

9、 地熱換熱器經(jīng)過 長期運行 , 土壤溫度會不斷降低 , 熱泵的性能系數(shù) 會隨之下降 , 系統(tǒng)消耗電能會逐漸增加 。 此時 , 兩 種熱源的交替運行就顯得十分必要 。 當室外溫度 較高 , 建筑的熱負荷較小 , 兩熱源可交替向熱泵機 組的蒸發(fā)器提供熱量 。 。 當日照比較強時 , 太陽能 集熱器中一部分熱量還可以暫時蓄存到土壤中 , 這樣可使土壤溫度場得以較快恢復 , 進而提高集 熱效率 , 使熱泵在高效率區(qū)間運行 。3冷卻塔 地源熱泵系統(tǒng) 31利用冷卻塔的必要性在我國南方地區(qū) , 大型商用建筑物夏季所需 要冷負荷要遠大于冬季所需熱負荷 , 且熱泵機組 在名義工況和規(guī)定條件下的能效比 COP 要

10、大于性 能系數(shù) EER 。 若完全依靠地源熱泵來供冷 , 則地 下埋管換熱器和熱泵機組的初投資均比較高 , 此 時 , 就需要按冬季熱負荷選擇機組 , 在部分負荷 時 , 單獨運行土壤源熱泵供冷 , 在峰值負荷或冷負 荷較大時 , 啟用冷卻塔輔助冷卻 , 這樣既可以減少 初投資 , 又可以維持土壤的熱平衡 、 使熱泵系統(tǒng)在 高效經(jīng)濟的范圍內(nèi)運行 。 可見 , 采用冷卻塔作為 土壤源熱泵系統(tǒng)的輔助冷源是十分必要的 。 32系統(tǒng)的組成及原理聯(lián)合運行的制冷系統(tǒng)包含 4套循環(huán)系統(tǒng) : (1 載冷劑循環(huán) :地熱換熱器中的載冷劑將熱 泵冷凝器釋放出的熱量排入土壤中 , 并吸土壤中 的冷量回到熱泵冷凝器中

11、;(2 制冷劑循環(huán) :熱泵中的制冷劑通過壓縮機 做功將蒸發(fā)器中的熱量轉(zhuǎn)移到冷凝器中 ;(3 水循環(huán) :房間空調(diào)系統(tǒng)中的水將吸收的室 內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到熱泵蒸發(fā)器中 ;(4 冷卻循環(huán) :冷卻水將冷凝器中的載冷劑吸 收不了的熱量轉(zhuǎn)移到冷卻塔并排放到大氣中 。 33系統(tǒng)的運行方式地源熱泵的供冷可采取 2種形式 , 一種方式 是埋地換熱器單獨運行 , 完全由埋地換熱器承擔 所有的負荷 ; 另一種方式是埋地換熱器和冷卻塔 聯(lián)合運行 , 由冷卻塔承擔一部分負荷 。 另外 , 在系 統(tǒng)運行的間歇 , 可以利用冷卻塔降低埋管周圍的 土壤溫度 。 在夜間 , 機組停止運行的時候 , 可以使 冷卻塔和地下埋管換熱器在無負荷狀況下串聯(lián)運 行 。 利用冷卻塔將地埋管周圍的溫度較高的土壤 蓄積的熱量帶走 , 對埋管周圍的土壤進行降溫 。 在次日 , 機組運行的時候可以得到一個相對較低 的出口溫度 , 提高熱泵系統(tǒng)性能 。4結(jié)語地源熱泵用在建筑空調(diào)冷