地源热泵系统设计与应用

【学员问题】解决地源热泵系统热平衡问题的方法？

【解答】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].

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。

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.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。

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

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0.2？C，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%.

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。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。