218复合式地源热泵运行工况分析

1、复合式地源热泵运行工况分析河北工程大学张子平杜岭岭解文正摘要：针对我国南北地区室内冷热负荷不平衡的现象，北方地区冬季热负荷大于夏季冷负荷，而南方地 区夏季冷负荷大于冬季热负荷，这样就造成了地下土壤的吸热量和排热量的不平衡，地下埋管换热器换 热能力下降，热泵系统的循环效率降低。所以在北方的冬季应用太阳能辅助地源热泵供热，在南方的夏 季应用冷却塔辅助地源热泵供冷。本文从技术，经济和环保角度讨论太阳能-地源热泵系统和冷却塔- 地源热泵系统在我国的发展优势，并展望太阳能-地源热泵系统和冷却塔-地源热泵系统的发展前景。关键字：地源热泵；太热能-地源热泵系统；冷却塔-地源热泵系统 0引言：地源热泵(gsh

2、p)系统是随着全球性的能源危机和环境问题的初期而逐渐兴起的一项热泵技术。地 源热泵系统冇着高效，节能，环保的特点，倍受全世界各国的青睐，出现良好的发展势头，现在被越來 越多的地区广泛应用。但是地源热泵系统有其口己独特的应用范围，就是夏热冬冷口冷热负荷相当的地 区。为了扩大地源热泵系统应用范围，这对一些特殊的地区，就产生了一些复合式地源热泵系统。复合 式地源热泵系统包括太热能-地源热泵系统(seshps)和冷却塔-地源热泵系统(hgshps),太热能-地源热 泵系统应用于北方地区辅助供热，而冷却塔-地源热泵系统应用于南方地区辅助供冷。1太热能-地源热泵系统1. 1发展、结构、原理和运行20卅纪6

3、0年代太阳能和埠地盘管组合的思想就已经被提出1-2,o iii于此系统在节能和环保方而具 有很大的优势，不但克服了以热负荷为主的地区应用土壤源热泵存在的蒸发温度过低和机组出力不足问 题，还克服了因土壤导热系数小,通常需要很人的埋管面积，而在实际工程屮又不能提供足够场地的问题, 因而国内外不少学者从事此方面的研究。太热能-地源热泵系统是以太阳能和土壤热为复合热源的热泵技术，是综合利用低品位太阳能和土 壤源的一种形式。a阳能集热器和埋管的组合，具有很大的灵活性，不仅克服了单独地源热泵系统的不 足，而fl.一年四季可以利用,提高了装置的利用系数。冬季可以利用太热能-地源热泵系统复合供热， 春秋两季可

4、以利用太阳能提供生活热水。图1太热能地源热泵系统辅助供热加理图a阳能-地源热泵系统主要针对的以采暖为主，空调为辅的地区而设计的，如我国的北方地区适合 应用这一系统。它有四部分组成，地埋管闭式循环管路，热泵机组，太阳能辅助设备，空调末端设备。 与单纯的热泵系统相比，不同之处主要在于热泵的热源由太阳能集热系统和地埋管系统共同或者交替来 供应。该系统通过阀门的调节，可以实现太阳能直接供热，太热能地源热泵系统联合來供热，地源热 泵系统单独供热。在冬季热泵机组按照冬季运行工况，通过地下埋管从土壤中吸取热量，再通过空调末 端设备把热量送给用八。在夏季，通过阀门的调节，热泵系统可以实现制冷循环。图1是太热能

5、-地源热 泵系统供热过程：晴天，太阳能集热器把热虽积聚，然后流过储水箱，通过箱内的换热管把热虽传递给 水后，在水泵的作用下流回集热器，开始下一次的循环。储水箱内的热水流进换热器与地埋管出水口进 行热量的交换，在回到水箱内。在阴天、傍晚及晚上，太阳能集热器的有效热量为零或者负值，可以用 储水箱中所储存的热量和地源热泵来供热。太阳能整个系统有蓄热装置，町以在春季，夏季和秋季为人 们提供生活热水。1.2运行工况1. 2. 1集热器的控制太热能地源热泵系统利用太阳集热器收集到的冇效热量的多少來控制集热器的开启和关闭31 o集 热凹路中通常用口动控制来调控，血口动控制包括太阳控制、定时控制和差动控制三种

6、。太阳控制就是 a阳的辐射强度的人小來控制，这种方法受天气的影响，不能与系统的蓄热强度相联系。定吋控制就是 以时i'可作为控制条件，太阳升起，循环泵开启，太阳下山，循环泵关闭，而不考虑其他的影响因素。差 动控制就是一个羌动控制器和两个温度传感器，一个温度传感器安装在太阳集热器的出11处，另一个温 度传感器安装在储水箱的出口处。当笫一个传感器的温度大于第二个传感器并达到预定的温度，差动控 制开启。差动控制考虑了集热温度和储热温度，更为全面，所以差动控制更为合理。1. 2. 2各运行方式的运行吋间分配比例太热能-地源热泵系统运行方式时间的分配主要指的是太阳能热泵系统,太热能-地源热泵系统和

7、单 独地源热泵系统各个系统运行时间的分配关系。太阳能热泵系统关键的技术就是各个系统时间的分配关 系，它对整个系统的设计，系统的稳定性，系统的经济性都起着关键的作川。所以合理的分配各个系统 的的运行时间极其重要。（1）太阳能热泵系统单独运行时间当太阳能热泵机组的供热量人于建筑物所需要的热负荷，就单独启用太阳能热泵系统。根据集热器搜集到有效热量的不同可以分成两种情况： 当太阳辐射强度比较大，如晴朗天气的中午，集热器在差动控制条件下开启，集热器的有效热 量不为零，这就可以利用太阳能热泵系统直接供热。 当太阳辐射强度比较小，如早晨、傍晚、阴天和用天，太阳能集热器在差动控制条件下关闭， 集热器的有效能量

8、为零或负值，储水箱热量大于建筑所需要的热量时，可以用储水箱热泵系统直接给建 筑物供暖。（2）太阳能地源热泵系统联合运行当太阳能热泵的供热量小于建筑物所需要的热负荷时，就耍启用太热能-地源热泵系统联合运行。 根据集热器搜集到的有效热量的不同也分为两种情况。 当太阳辐射有一定的强度，集热器在差动控制条件下开启，当其提供的热量满足不了建筑物的 需要，就需要太热能-地源热泵系统。 当太阳辐射较弱或者辐射为零，集热器在差动控制条件下关闭，储水箱冇一定的热量当满足不 了建筑物的需要，就需要储水箱地源热泵联合运行。（3）地源热泵单独运行当a阳辐射较弱或者阴雨天气，太阳能和储水箱热量早也满足不了建筑物所需求的

9、热量，在完全丧 失太阳能的情况，为保证建筑物的热量需求量就必须启动地源热泵。地源热泵与当地的气候、建筑物的 热量需求量和当地的土壤条件都有着直接的关系。1.3经济、节能和环保太热能-地源热泵系统针对的我国北方寒冷的地区，其筋求的热负荷远远大于冷负荷。作为单纯地 源热泵系统为了满足冬季的热辐射需要，势必会加人地埋管的数量，增加初投资。地源热泵系统长时间 的运行，由于热屋累计效应，地埋管周围介质必然处在低温不利换热状态下，这将直接彩响地埋管的换 热性能，进而影响热泵循环效率降低。采用太热能-地源热泵系统可以按照较小的夏季冷负荷来设计地 埋管的数量，这样可以减少地埋管的初投资。文章【5】就太热能-地

10、源热泵系统与地源热泵的初投资和 总费用图表做了详细的说明，太热能-地源热泵系统虽然在初投资上鮫地源热泵供热稍多点，但是却能 节省电能，就是节约运行费用，在整个寿命期间要比地源热泵供热更节省费用，在经济和节能方血太热 能-地源热泵系统综合性能优于地源热泵，所以在从经济方面分析太热能-地源热泵系统是可行的。太阳 能是一种洁净的可再生能源，存着常规矿物燃料不可比拟的优越性，是地源热泵系统较为理想的辅助热 源。2冷却塔-地源热泵系统2. 1发展，结构和原理图2 冷却塔-地源热泵系统辅助供冷原理图冷却塔-地源热泵系统针对我国南方地区、一些大型公共场所，商业建筑以冷负荷为主的地方。对 于这些地区，热泵机组

11、长时间的持续运行，会导致地下埋管出水温度升高，热泵机组的冷凝温度升高, 热泵机组的循环效率降低。采用冷却塔-地源热泵系统，有效改善地源热泵的系统循环性能，减少埋管 井的数量，有利于平衡全年排热最和吸热最。还可以节省初投资，并且能消除因地下积聚而引起的 机组性能恶性循环，提高系统运行效率，提高热泵循环效率。为确定辅助冷却复合式地源热泵系统的可行性，国内外进行了大量的理论分析和实际应用研究， phetteplace对loesviue美军基地控制中心大楼和ontario教育中心的复合地源热泵系统进行运行分 析，yavauzturk(2000)对儿种不同控制方式下的复合地源热泵系统进行了实验研究。国内

12、对复合地源 热泵研究的起步较晚，至今还停昭在理论和可行性分析方面。该系统整个装置主要冇四部分组成冷却塔辅助设备，热泵机组，地埋管的闭式循环系统，空调的末 端装置。其工作原理如图2示，冬季利用地埋管换热器从土壤中吸收低品位热能，通过给热泵机组热量 的交换，把髙温热水送给用八。夏季用八宗内的热量山地埋管向土壤放热和冷却塔的散热来共同承担,这样就可以实现地埋管从土壤的吸热量和向土壤的排热量得到人致平衡。2. 2控制策略热泵系统的供冷可以采取两种形式，一种是地源热泵单独运行，完全由地埋管承担所侑的负荷；另 一种方式是冷却塔-地源热泵系统联合运行，由冷却塔承担一部分负荷。第二种运行方式的控制策略指 的就

13、是对冷却塔运行条件的控制，不同的控制方案对整个冷却塔-地源热泵系统设计的经济性，运行效 呆以及其运行费用等各个方而都起着很重要的作用，这也是冷却塔-地源热泵系统研究的-个重要的内 容。综合国内外的研究，冷却塔-地源热泵系统主要冇四种控制方法：设定热泵进口流体最高温度、温 差控制、负荷控制及控制冷却塔开启时间181。 地源热泵机组的循环效率与冷凝温度冇关，冷凝温度越高，机组效率越低。而冷凝温度主要与地 卜埋管里的出口流体温度有关，地f埋管里出口流体温度越高，冷凝温度越高。因此降低地埋管出口流 体温度成为捉髙机组循环效率的重要途径。山此可知，影响系统性能的主要因素是地埋管出口流体温度 eft （e

14、nter ing f i uid temperature）（即热泵的入口温度），所以可以通过控制地埋管出口流体温度來对 冷却塔-地源热泵系统的运行进行调节，以此提高系统的效率，减少辅助设备的初投资和运行费用。以 地下埋管的出口流体温度为主要控制参数，制定了的辅助运行策略。当eft大于某一设定温度值时， 即表明此时建筑物的冷负荷过大，在这种状况卜如果单独使用埋管换热器排放所有的热量，埋管周围土 壤温度会升高，系统的效率降低。此时开启冷却塔，分担一部分负荷，减少了埋管向土壤排放的热量, 使埋管周围土壤温度相对较低，保证系统的高效运行。当eft低于某设定温度值时，即地下埋管换热 器自身可以承担所有冷

15、负荷，此时关闭冷却塔。 温差控制就是对eft与当地湿球温度z差來调控参数。控制方法同上。由于冷却塔的性能主要与 室外湿球温度有关，所以这种控制策略述可以反映冷却塔的性能对系统性能的影响。 负荷控制就是根据建筑物的负荷变化來控制冷却塔辅助系统的运行。根据当地的气象资料來确定 一天中建筑物负荷最人的时候，在这个时候冷却塔-地源热泵系统联合运行。在负荷比较小的时间里， 热泵机组单独运行。但是一天建筑物负荷最人值的时间很难精确的确定，所以这种调控方法谋羌较人, 可能会造成系统能耗的增高和初投资的加大，优点是控制简单，易操作。 控制冷却塔开启时间就耍考虑的是土壤的短期与长期蓄热作用，用来避免或者抵消土壤

16、因长期运 行所产生的热积累造成的温升。在夜间，室外气温比较低，可以使冷却塔和地埋管在无负荷状态下串联 运行，利用冷却塔将地埋管周围温度较高的土壤蓄积的热量排走，对埋管周围的土壤进行降温。在次fi, 机组运行的时候可以得到一个相对较低的eft,提高热泵系统性能。2.3经济性，节能对于冷却塔-地源热泵系统而言，町以按照冷热负荷中较小的热负荷来设计地埋管，这样一方面减 少地埋管的数量，可以大大节省初投资。这样的系统夏季多余的散热量（冬夏季从吸排热量之差）通过 辅助散热装査冷却塔來完成。虽然建筑冷却塔会增加初投资，但是从总费用來说：冷却塔-地源热泵系 统在整个系统的总费用上要少于单独的地源热泵系统。基

17、于可用地表面积所限和节约投资的考虑，在土 壤源热泵系统中增加辅助散热装置可以降低地埋管的费川，捉高热泵系统的效率，从而保证地源热泵系 统的市场前景和更广阔的应用范围。3. 结论冃前，全世界都在关注能源，环境和可持续发展的问题。我国致力建设节约型国家，在政府积极支 持与侣导下，地源热泵应用口益广泛，为建立节约型社会，解决面前的能源危机问题提供了新思路。我 国地域辽阔，南北气候相差较大，既有以采暖为主空调为辅的冬季寒冷、夏季不太热的长江以北地区, 又有以空调为主采暖为辅的夏季炎热、冬季不太冷的长江以南地区，这种气候特点决定了太阳能-地源 热泵系统和冷却塔-地源热泵系统在我国具有广阔的利用丽景。因此

18、，在目丽条件下，我国应该大力加强的研究与太阳能-地源热泵系统和冷却塔-地源热泵系统开发，以促进其应用与发展。参考文献：1 penrod e b , prasanna k v. design of a flat2plate col lector for a solar2earth heat pump j . solar energy , 1962 ,6 (1) :9 - 222 penrod e b , prasanna k v. a procedure for designing solar2earth heat pump j . heating ,piping & air conditioning , 1969 ,41 (6) :97 - 1003 余延顺，廉乐明.寒区太阳能-土壤源热泵系统太阳能保证率的确定j .热能动力工 程,2002 ,17 (7) :393-3954 王侃宏，毕文峰，乔华，侯立泉.太阳能辅助加热土壤源热泵系统理论分析j .河北建筑科技学院 学报,2005, 01 - 00105 王侃宏，董呈娟，李保玉.太阳能辅助地源热泵供热的可行性研究a .节能,2006,0033 - 036 李芳，王景刚，刘金荣.辅助