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采用热回收方式解决土壤热平衡问题的工程实例及分析武汉科技大学 姚远 符永正摘要：结合工程实例对地埋管地源热泵技术应用中的土壤热平衡问题进行了分析，并介绍了目前常用的几种解决该问题的技术措施，针对采用热回收生产卫生热水作为部分辅助冷源的方式，进行了工程实例的计算和分析。关键词：地埋管地源热泵 土壤热平衡 多余热量回收利用1 序言地埋管地源热泵系统如今在国内已得到较多的应用，在应用中也遇到了一些问题，其中土壤热平衡问题尤为突出。当地埋管地源热泵系统冬夏兼用时，在北方地区建筑热负荷大于冷负荷，所以系统冬天从土壤中提取的热量比夏季向土壤中排放的热量大，而南方地区则相反，于是就会造成土壤得失热量的不平衡。长期如此，地下土壤平均温度会下降或上升,尤其是在地埋管管群集中的中心区域,系统与土壤的换热能力将不断下降，导致系统能效的下降。本文在介绍常用的热平衡措施的基础上，主要对采用热回收的方式，针对一个工程实例进行计算和分析。2 解决地源热泵系统热平衡问题的方法土壤热平衡问题是地埋管地源热泵系统设计与应用中需要解决的首要问题，如今已经有不少方法应用在实际工程中，并取得了不错的效果，比如在系统中加入辅助冷热源、间歇式控制等措施。其中使用较为广泛的措施就是采取混合式地源热泵系统。混合式地源热泵即地埋管换热系统与辅助散热设备或辅助热源混合使用的热泵系统，分为室内换热系统和室外换热系统两大部分1。2.1 冷却塔-地埋管地源热泵在南方地区，建筑负荷特点一般是夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以土壤热平衡问题是体现在土壤热量的堆积上。在此种负荷特点下，设计中地埋管的热容量是以建筑物的热负荷作为设计基础，夏季供冷时采用辅助散热设备散去室内多余热量。冷却塔是混合式地源热泵系统最常用的散热设备，在大部分工程设计中，通常是根据建筑全年累计总负荷计算热量得失，由系统对土壤取热量与散热量之差计算冷却塔循环水量从而选取冷却塔型号，在控制冷却塔时则固定时间启停。但由于建筑负荷与周围环境息息相关且负荷变化是一个动态过程，所以不应该单纯以此法选取和控制冷却塔。在文献【2】中提出了比较合理的冷却塔选型和控制方法，即由土壤在热泵制冷工况运行下的平均进水温度（根据经验数据或模拟计算得出）计算出冷却塔容量大小的平衡点T，查询当地全年逐时室外干湿球温度数据得出当室外湿球温度为T时室外干球温度的平均值，进而求得在此室外条件下的建筑冷负荷Qc，再根据热泵机组的EER值计算出机组的放热量Qf, 由此选取冷却塔。此法在选型计算中与建筑所在地区气候特点和建筑负荷特点都紧密联系起来，所以所得结果符合工程实际情况。而冷却塔的启停控制方法是根据机组出水温度来判断是否需要冷却塔辅助，且当所选冷却塔出水温度小于土壤在热泵制冷工况运行下的平均进水温度时启用冷却塔（因此时在流量相同情况下，使用冷却塔比使用埋管更有利于提高机组的运行效率）。采用冷却塔地埋管地源热泵系统可以很好的解决土壤热平衡问题，而合理的选取和控制冷却塔，可以减少部分埋井数量，节约室外地埋管换热器的安装面积，同时初投资也会相应降低。如图所示为冷却塔地埋管地源热泵系统原理图。图1 冷却塔土壤源热泵系统原理图1冷却塔；2 、4水泵；3埋地盘管； 5换热器；6冷凝器；7膨胀阀；8蒸发器；9回热器；10压缩机；11风机盘管2.2 太阳能-地埋管地源热泵在寒冷地区，建筑冬季供热负荷要大于夏季供冷负荷，造成热泵冬季从地下土壤吸取的热量大于夏季向土壤排放的热量，导致土壤温度逐渐降低，致使系统供热量下降，耗功率上升，供热系数降低。据统计，一般情况下土壤温度每降低1，会使制取同样热量的能耗增加3%4%【3】。所以，为了保证热泵系统能够长久、正常的运行，并充分体现其节能性，需要在系统中加入辅助加热设备，以解决在寒冷地区应用地埋管地源热泵所面临的土壤热平衡问题。太阳能集热器是最常用的辅助加热设备，系统可通过阀门的控制来实现太阳能直接供暖，太阳能与热泵联合供暖，地源热泵供暖及太阳能集热器集热土壤蓄热的运行流程等。冬季采暖时，以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户，同时，在土壤蓄存部分冷量以备夏季空调用。夏季与过渡季节，太阳能集热器主要用于提供生活用热水。如图所示为太阳能地埋管地源热泵系统原理图。图2 太阳能土壤源热泵系统原理图1集热器；2贮热水槽；3、5水泵；4埋地盘管； 6换热器；7蒸发器；8压缩机；9冷凝器；10回热器；11膨胀阀；12风机盘管2.3 地源热泵间歇式运行尽管地埋管地源热泵系统的连续使用会使土壤温度发生单向变化，但土壤温度场有着可恢复的特点，并且在建筑环境中供热供冷系统机组的运行具有间断性，所以有人提出了地源热泵的间歇式运行。通过人为合理的控制热泵机组的间歇运行，能够强化传热过程，提高热泵机组的使用效率，较好的解决土壤热平衡问题。而且如能充分利用这种间歇性弥补地下传热缓慢的不足，就能实现充分换热，最大限度的减少地埋管的钻孔数，降低工程初投资。国内已有不少地源热泵间歇式运行的实验，提出了一些合理的启停控制方案。比如大连理工曾做的冬季工况24小时间歇运行试验【4，5】，得出以24小时为一个周期，控制机组启停时间为 1：1和2：5时土壤温度场的恢复效果的分析。机组具体运行情况为：机组运行5小时后停机，埋管管壁温度经过5小时温度恢复到与初始状态相差0.2C，机组继续运行4小时后停止运行，管壁温度经过10小时恢复到初始温度，为下一循环开机运行提供较好的换热条件。以此方式运行，在满足用户负荷需求的基础上，热泵的进出口水温稳定在一个较高温度，使机组基本处于理想工况下运行，且地下换热量与连续运行相比提高了5%。2.4 回收利用多余热量制造生活热水 在夏季冷负荷大于冬季热负荷的地区，对于地源热泵系统土壤热量得失不平衡问题，用冷却塔将系统多余热量散发至空气中是较常用的方法，但从能源使用方面讲是浪费了这部分热能，若合理利用这部分热量，将是节约能源的一个有效方法。在该种负荷条件下，系统夏季向土壤释放的热量大于冬季从土壤中取出的热量，要利用起这部分能量，应从建筑能源需求的其他方面考虑。如今建筑生活热水一般是全年供应，已经有一些工程将系统多余热量回收用于制造生活热水，不仅避免了这部分能量的浪费，还节约了部分制造生活热水所需的一次能源。下面以武汉某工程为例分析这种方法的使用情况和效果。3 采用热回收方式的工程实例及分析此工程是一座集办公、实验、对外接待的节能型办公大楼。总建筑面积为27242 其中：实验室8862 ，单身公寓：1080 ，办公：17300 （含地下室）。地下一层为车库及设备用房，一层至四层为实验室用房及单身公寓、餐厅； 五至十九层为办公用房，其中九层为计算机用房。主楼一至四层实验室及五至十九层办公楼（21000）拟采用地埋管地源热泵系统作为建筑物的冷热源及提供单身公寓卫生热水。而单身公寓、附楼实验室（6242）拟采用VRV空调制冷及供暖。工程空调系统原理图见图3.图3 地源热泵系统原理图注：1.制冷工况：阀门1、2、7、8开，阀门3、4、5、6关。2.制热工况：阀门3、4、5、6开，阀门1、2、7、8关。3.土壤温度数据采集系统：埋管区域共设置9个地点，每个地点垂直方向设置9个土壤温度传感器。在该工程中，三台热泵机组的热回收热量承担制造卫生热水所需热量。地源热泵机组在夏季运行时，机组蒸发器制冷对建筑提供冷量，同时冷凝器向系统外释热，利用蓄热水箱或其他蓄热装置回收该部分冷凝热，并制造热水，夏季可由部分热回收机组为用户24小时免费提供45/50的卫生热水；过渡季节及冬季用全热回收地源热泵机组提供50/55卫生热水；强化了冷凝器的换热效果，提高了机组运行的COP值。3.1 建筑物空调负荷本工程采用DEST-C软件模拟计算后得到该建筑空调负荷如下：夏季空调逐时冷负荷综合最大值为主楼1830KW，单身公寓、附楼实验室895KW；冬季空调总热负荷为主楼1300KW，单身公寓、附楼实验室360KW；全年空调系统动态冷负荷总值为630000KWH（6月1日9月30日；全年空调系统热负荷总值为240000KWH（12月15日3月15日）。3.2 地埋管地源热泵系统的散热量及取热量经工程前期地埋管换热测试试验，并计算和分析所得数据，得出系统在试验期内（数据采集11天）的总散热量和总取热量。系统散热量及取热量的大小除与土壤热物性参数有关外，也与土壤温度及地埋管内循环水的温度密切相关，因此实验采用边界水温、多种正常水温工况进行测试，然后对其结果进行分析，得出在适合地源热泵空调机组的运行水温工况下的最大散热量及取热量。下表是井埋管散热试验在不同进出口水温下进行试验所得结果，其循环水在井埋管中的进出口温差和传热量是由U型PE管换热器和水平连接管共同作用的结果【6】。表1：散热试验结果和取热实验结果号井号井散热试验进水温度回水温度流量总传热量进水温度回水温度流量总传热量m3/hkWm3/hkW35.3531.80.814.9735.3532.40.794.85取热实验进水温度回水温度流量总传热量进水温度回水温度流量总传热量m3/hkWm3/hkW9.211.90.812.9369.211.50.792.86注：试验中流量与管内流速的对应关系为：井流量0.81m3/h对应于管外径25mm管内流速0.69m/s（Re=17250），井流量0.79m3/h对应于管内流速0.67m/s(Re=16750)。考虑到设备异地测试，运输及安装过程中对精度的影响，根据回实验室矫正，进出口偏差温度矫正系数0.15，因回填材料的温度于土壤原始温度不吻合、施工中存在客观因素（根据施工日记记载）的修正系数：1.22。3.3 卫生热水设计根据招标文件要求和空调初设方案确定部分卫生热水设计参数。冷水计算温度为5。卫生热水使用温度为55，全年热水用量4t/h，最高日热水用量为11.6/d，最大小时热水用量为2.4/d。热水系统采用上行下给式机械循环系统，实验室卫生热水箱20，单身公寓卫生热水箱10，分别设置于屋面。生活热水小时耗热量计算公式如下： 公式（2.2）式中：设计小时耗热量（w）；设计小时热水量（kg/h）； 设计热水温度（），55； 设计冷水温度（），5；热水密度（kg/L）,根据热水密度表查得当热水温度为55时，。则生活热水小时耗热量为：即：生活热水小时耗热量约为230KW，热水量为4t/h，热水温度为55。3.4 结果分析由实验结果可得单井埋管的传热能力，进而计算地埋管单位井深放热量：夏季工况下，在地埋管进口温度35.35，出口温度31.8，钻孔深度80M时，单位井深放热量为61.5W/m；冬季工况下，在地埋管进口温度5.3，出口温度9.55，钻孔深度80M时，单位井深取热量为49.1W/m。结合工程地质勘察及钻孔经济分析，可算得最佳钻孔深度为80米。武汉属于夏季冷负荷大于冬季热负荷地区，所以本工程应按冬季热负荷1300KW进行埋管，系统形式采用热回收混合式地源热泵空调系统作为建筑物的冷热源及提供单身公寓卫生热水。对于土壤热平衡问题，采用冷却塔及热回收型地源热泵机组全年提供单身公寓卫生热水作为辅助冷却源措施，使全年土壤达到热平衡。冷却塔的运行策略如下：1） 当地源热泵机组出水温度大于38时,开启冷却塔, 小于36.7时,关闭冷却塔；2）当空调系统第二个夏季运行前一个月,土壤温度传感器检测的平均温度高于空调系统第一个夏季运行前的检测的平均温度时，开启冷却塔、冷却水泵、地源侧冷水泵对土壤进行降温，直至使土壤达到常年正常温度为止。根据计算，主楼全年空调系统动态冷负荷总值为630000KWh（6月9月），主楼全年空调系统热负荷总值为240000KWh（12月3月）。地埋管全年从土壤总吸热量为180000KWh，夏季热回收型地源热泵机组总冷凝负荷为787000KWh，全年约有607000KWh的冷凝热负荷属多余热量，其中在满足单身公寓卫生热水需求热量外，其余部分通过冷却塔排入大气。空调系统以此方式运行，在避免了土壤得失热量失衡的同时，减少了地埋管管井数量， 降低了初投资，并节约了生活热水所需的一次能源。工程在投入使用后，系统运行稳定，节能效果明显。参考文献1 赵军，戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用M.中国建筑工业出版社，20072 王彬.冷却塔土壤源混合式热泵的应用研究D.华中