土壤源热泵系统中地埋管换热器热平衡问题及解决方案

1、第 31卷 第 1期2011年 3月黑 龙 江 冶 金Heilongjiang MetallurgyVol31No1March2010收稿日期 :20101223作者简介 :范龙华 , 毕业于黑龙江省机械制造学校 , 锅炉制造专业 , 现就职于华洁公司 , 从事新能源开发工作 。土壤源热泵系统中地埋管换热器热平衡问题及解决方案范龙华 1, 王勇2(1哈尔滨华洁有限责任公司 , 哈尔滨 150001; 2哈尔滨物业供热集团有限责任公司 摘要 :本文介绍了土壤源热泵导致的土壤吸 、 放热不平衡以及解决这种热失衡的两种方案 。关键词 :地源热泵 ; 地埋管换热器 ; 性能系数 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地源热泵是以地表为热源的绿色节能技术 。竖直埋管换热器通常埋深在 30 100m 之间 , 其热 交换对象是深层土壤 ,而深层土壤又不可能与地 表环境进行充分的热交换 , 就容易使得土壤出现 取 、 放热的不平衡 。1地下土壤热失衡的原因我国幅员辽阔 , 各地

4、域建筑物在一年之中的 冷 、 热负荷相差甚大 。 冬季通过热泵提取地下的低位热能给建筑物供暖 , 同时 , 地下土壤的温度降 低 ; 夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地 , 对建筑物降温 , 同时 , 地下土壤的温度升高 。 显 然 , 这种温度的升高或降低 , 对当年采暖 (或空调 季的地埋管换热器的传热性能有一定影响 。 如果 在 1年中冬季从地埋管换热器中抽取的热量与夏 季向地埋管换热器输入的热量平衡 , 则地埋管换 热器在数年的长时间运行后 , 地下的年平均温度 没有变化 , 对地埋管换热器的性能没有影响 。 在 夏热冬冷地区 , 供冷和供暖的天数相差无几 , 冷热负荷基本相等 ,

5、 因此 , 垂直地埋管地源热泵的最佳 使用区域是夏热冬冷和冬夏冷热负荷相当的地区 。 在寒冷地区由于其冬季热负荷大于夏季冷负 荷 , 造成热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土 壤的排热量 , 致使土壤温度逐渐降低 、 设备耗功率 上升 、 供热性能系数 COP 降低 , 一般情况下 , 土壤 温度降低 1 , 会使制取同样热量的能耗增加 3% 4%。 同理 , 对于南方地区 , 由于夏季空调冷负荷大于冬季热负荷 , 可能造成地下土壤的温度升高 , 进而致使机组的冷凝温度提高 、 制冷量减少 、 设备耗功率上升 。 因此 , 维持垂直埋管地源热泵 地下换热系统的吸 、 放热平衡是热泵系统正常 、

6、高 效运行的可靠保证 。2太阳能 地源热泵系统21利用太阳能的可行性在严寒地区和寒冷地区 , 垂直地埋管热泵的地下换热系统冬季向土壤吸收的热量远大于夏季 向土壤的排放热量 。 此时 , 为了使土壤能够维持44第 1期 范龙华 , 等 :土壤源热泵系统中地埋管换热器热平衡问题及解决方案热平衡状态 、 保证热泵的运行效率 , 就需要增设一 个向系统提供热量的辅助热源 。 太阳能作为一种 取之不尽 、 用之不竭的绿色环保能源 , 在日照条件 好的情况下 , 以太阳辐射热作为蒸发器热源的热 泵系统可以获得较高的蒸发温度 , 其系统的能效 比 (COP 可达到 4以上 。 可见 , 以太阳能作为土 壤源

7、热泵的辅助热源是非常可行的 。22系统组成及工艺原理联合运行的供热系统由 4个分系统组成 :地 下埋管换热器闭式循环系统 、 涡旋压缩式热泵机 组制热循环系统 、 太阳能集热系统和空调末端系 统 。土壤源热泵机组的制热量是由蒸发器的吸热 量决定的 , 而蒸发器的吸热量与蒸发温度和地热 换热器出口水温有关 , 地热换热器出口水温又与 地热换热器的长度 、 土壤温度及系统连续运行时 间等因素有关 。 当系统连续长时间运行后 , 土壤 温度会逐渐降低 , 从而导致地热换热器出口温度 降低 , 热泵制热循环中的蒸发器温度也会随之下 降 , 最后导致热泵耗能增加 、 制热量不足 。 太阳能 与土壤源热泵

8、联合供热系统就是通过太阳能集热 器采集太阳能并传递给热泵系统的蒸发器以解决 这种供需矛盾 。23系统的运行方式231串联运行当室外温度很低 , 建筑的热负荷较大 , 单独采 用地埋管换热不能满足采暖要求时 , 可采用串联 运行的方式 , 太阳能采集的热量存储在蓄热水箱 中 , 地埋管中的水先在土壤中吸收部分热量 , 然后 再经过蓄热水箱进一步升温 , 从而提高其进入蒸 发器时的温度 , 随着蒸发器温度的提高 , 热泵机组 的性能系数 COP 也随之相对提高 , 系统可以向用 户提供更多的热量以满足采暖要求 。232并联运行并联系统是将太阳能辅助热源和地热源并 联 。 若单独采用地源热泵供热 ,

9、 地热换热器经过 长期运行 , 土壤温度会不断降低 , 热泵的性能系数 会随之下降 , 系统消耗电能会逐渐增加 。 此时 , 两 种热源的交替运行就显得十分必要 。 当室外温度 较高 , 建筑的热负荷较小 , 两热源可交替向热泵机 组的蒸发器提供热量 。 。 当日照比较强时 , 太阳能 集热器中一部分热量还可以暂时蓄存到土壤中 , 这样可使土壤温度场得以较快恢复 , 进而提高集 热效率 , 使热泵在高效率区间运行 。3冷却塔 地源热泵系统 31利用冷却塔的必要性在我国南方地区 , 大型商用建筑物夏季所需 要冷负荷要远大于冬季所需热负荷 , 且热泵机组 在名义工况和规定条件下的能效比 COP 要

10、大于性 能系数 EER 。 若完全依靠地源热泵来供冷 , 则地 下埋管换热器和热泵机组的初投资均比较高 , 此 时 , 就需要按冬季热负荷选择机组 , 在部分负荷 时 , 单独运行土壤源热泵供冷 , 在峰值负荷或冷负 荷较大时 , 启用冷却塔辅助冷却 , 这样既可以减少 初投资 , 又可以维持土壤的热平衡 、 使热泵系统在 高效经济的范围内运行 。 可见 , 采用冷却塔作为 土壤源热泵系统的辅助冷源是十分必要的 。 32系统的组成及原理联合运行的制冷系统包含 4套循环系统 : (1 载冷剂循环 :地热换热器中的载冷剂将热 泵冷凝器释放出的热量排入土壤中 , 并吸土壤中 的冷量回到热泵冷凝器中

11、;(2 制冷剂循环 :热泵中的制冷剂通过压缩机 做功将蒸发器中的热量转移到冷凝器中 ;(3 水循环 :房间空调系统中的水将吸收的室 内热量转移到热泵蒸发器中 ;(4 冷却循环 :冷却水将冷凝器中的载冷剂吸 收不了的热量转移到冷却塔并排放到大气中 。 33系统的运行方式地源热泵的供冷可采取 2种形式 , 一种方式 是埋地换热器单独运行 , 完全由埋地换热器承担 所有的负荷 ; 另一种方式是埋地换热器和冷却塔 联合运行 , 由冷却塔承担一部分负荷 。 另外 , 在系 统运行的间歇 , 可以利用冷却塔降低埋管周围的 土壤温度 。 在夜间 , 机组停止运行的时候 , 可以使 冷却塔和地下埋管换热器在无负荷状况下串联运 行 。 利用冷却塔将地埋管周围的温度较高的土壤 蓄积的热量带走 , 对埋管周围的土壤进行降温 。 在次日 , 机组运行的时候可以得到一个相对较低 的出口温度 , 提高热泵系统性能 。4结语地源热泵用在建筑空调冷