地埋管地源热泵系统热平衡分析

地埋管地源热泵系统热平衡分析 楼英 上海东方低碳科技产业股份有限公司 摘 要： 地源热泵是一种冷热源系统, 技术含量较高, 目前属于较为先进的技术。也是我国国家建设部所推荐的新源技术之一。本文首先介绍了地源热泵系统在一个自然年的周期内冬夏两季的工作模式, 并分析了在实际设计过程中, 地源热泵系统夏季制冷和冬季制热的热平衡的计算, 并针对地源热泵一个自然年周期内可能出现的热量不平衡的现象, 提出了相应的对原有地源热泵系统的改进方案。关键词： 地源热泵系统; 冷热源系统; 地埋管地源热泵系统; 地埋管的热平衡问题; 热泵, 用于实现低位热源到高位热源的转化, 以满足用户的需求。尽管热泵本身会消耗一定的高品位能量做功 (例如电能) , 但热泵向公湖供给的热量等于消耗的高品位能量和吸取的低位热源之和, 所以, 热泵可以节约高位热源。地源热泵系统 (ground-source heat pump system) 利用地下的土壤、岩土体、地下水或者地表水作为热源的热泵系统, 图 1 为地源热泵系统的示意图, 由热泵机组、热能交换系统、建筑物内部系统组成供热或者供冷的空调系统。研究标明, 地下无论是土壤还是水都具有很大的热惰性, 随外界温度的变化其内部的温度波动很小, 例如, 埋藏于 20m 以下的土壤几乎常年维持在该地区的年平均温度附近。因此, 冬天地源温度较室外温度高, 夏天地源温度较室外温度低, 所以可以通过地源热泵系统, 在炎热的夏季把建筑物过多的热量传给大地, 把热量存储在大地中, 使室内降温;在寒冷的冬季把储藏的热量释放出来对建筑供热。图 1 地埋管地源热泵系统的冬夏两季运行示意图 下载原图地源热泵系统中大地的作用类似于蓄能器, 其蓄能作用可以提高一个自然年内能源的利用效率, 具有显著的环保效益。但是, 针对不用的地区和应用场所, 建筑物在冬季对热量需求和在夏季对冷量的需求并不是完全平衡的, 假如地源热泵系统长期 (多个自然年内) 运行在在冷热负荷不平衡的工作状态下, 可想而知, 将引起大地温度的改变, 也就是换热器工作环境的温度变化, 这将影响换热器的换热效率以及热泵机组运行的经济性。本文将对此问题进行分析。1 地埋管地源热泵系统的分析地源热泵系统采用地埋管换热系统 (ground heat exchanger system) , 运行原理如图 2 所示。该换热系统由深埋于地下的密闭循环管组成, 以水或者添加防冻剂的水溶液作为传热介质 (heattransfer fluid) , 的密闭循环管必须是高强度耐腐蚀的管道, 且一定是循环流动的封闭环路。地源热泵的目的是建筑物内部与大地深处的热交换, 相比于当前广泛使用的空调系统 (空气源热泵系统) , 由于建筑物与大地之间的温差远远大于建筑物内部与其外部空气的温差, 所以同等运行条件下, 地缘热泵运行效率要比其高 40%左右, 另外, 由于大地温度相对恒定的, 也保证了热泵机组可靠的运行。地缘热泵系统主要分为三部分: (1) 室外系统; (2) 室内系统; (3) 机房。三部分如图 3 所示。图 2 地埋管的地源热泵系统的运行原理示意 下载原图图 3 地埋管地源热泵系统的组成示意图 下载原图地源热泵的室外系统主要是地埋管, 地埋管也称为地源热泵系统的地下换热器, 地埋管内部填充了水等换热介质沿管道在地下循环, 实现与大地土壤的热量交换。室内系统包括风盘 (即室内空调口) 、水箱、连接水管、阀门组件以及地暖、中央热水等, 完成热量的输送控制、交换和使用。主机系统就是热泵机组, 是地源热泵系统的核心组件, 主要由 (1) 蒸发器、 (2) 压缩机、 (3) 冷凝器和 (4) 膨胀阀四个部分, 主机系统的运行原理如图 4 所示。目前, 地埋管/地下换热器的设计流量通常在 3L/ (min*k W) 左右, 单位长度的换热量约为 70100W, 地下部分 (地埋管及其填充辅料) 的造价为热泵系统总造价的 1/3。热泵机组的制冷/制热量约为其消耗的电功率的五倍, 热泵系统正常运行时分为冬季和夏季两个状态, 在冬季运行费用约为 1216 元/平米, 夏季的运行费用为冬季的一半。2 换热器的性能影响因素对地埋管换热器的换热性能影响较为明显的因素主要有:2.1 土壤和回填材料特性土壤和回填材料的导热系数不同, 将直接导致冬季对土壤的吸热量和夏季向土壤的排热量、地埋管内换热介质的进出温度、制热系数和热泵正常工作消耗的功率的差异。高的导热系数可以有效降低热泵压缩机正常运行消耗的功率, 提高换热媒介循环性能系数。典型土壤的导热系数如表 1 所示。表 1 典型土壤导热系数 下载原表 2.2 钻孔的间距、钻孔数目和散热器的埋地深度在地源热泵系统的设计时, 必须选择合理的钻孔间距, 以保证埋管的水平距离, 避免因为埋管单元之间温度场的相互影响而导致换热效率降低。以几种典型埋管方式推荐的水平距离来说:浅层的竖埋管应在 1.5m 左右, U 型竖埋管应维持在 36m 之内, 地埋管的深度、管道的材质和管径以及地源热泵系统的运行环境都将影响钻孔间距的选择。不同管径推荐的埋管深度如表 2 所示。图 4 地源热泵主机系统原理图 下载原图表 2 对于不同管径埋和埋管方式下管深度的建议值 下载原表 2.3 埋管方式 水平埋管 多层埋管 螺旋管 竖直埋管 套管型图 5 埋管形式地埋管换热器的设计中, 选择合理的埋管方式非常重要。总体来说, 有水平埋管和竖直埋管两种, 细化其分类如图 5 所示。其中, 水平埋管的深度不能过大, 一般情况下为浅层管理, 并且受到土地面积的限值。多层埋管的换热效果优于单层埋管, 螺旋管的换热效果优于直管型。竖直埋管尽管投资相对较大, 但其换热能力要比水平埋管高, 其中, U 型管受流量限值, 管径通常小于 50mm;套管式埋管虽然热交换面积非常大 (其外管直径可达到 200mm) , 但是其内管与外腔中的换热媒介将发生热交换从而带来热损失。3 热平衡问题由于地源热泵系统在冬夏两季的工作状态互为相反, 因此在地源热泵的设计工作初步完成后, 必须对系统进行热平衡计算, 即校验该系统在一个冷热交换周期内的热量交换是否大到热量平衡。最小计算周期一般取为一个自然年, 在计算周期内, 地源热泵系统应当热平衡。若系统向大地总释放的热量大于向大地总吸收的热量, 将导致土壤温度的升高。研究表明, 土壤温度每升高 1, 取相同的冷量耗能将增加 3%4%, 反之将导致土壤温度降低, 增加取相同热量的能耗。另外, 土壤温度的逐年升高/降低, 将破坏土壤的环境, 影响地下生物的生活环境, 引起一系列环境问题。对系统的热平衡计算公式如下:夏季向地下释放的热量:式中:ql i夏季第 i 小时向地下释放的冷凝热, k W;Ql i夏季第 i 小时的冷负荷, k W;n夏季供冷小时数;EER夏季能效比。冬季向地下吸取的热量:式中:qh j冬季第 j 小时向地下释放的冷凝热, k W;Qh j冬季第 j 小时的冷负荷, k W;m冬季供热小时数;COP冬季的供热系数。冬夏两季的热不平衡率为:根据不平衡率 进行分析: (1) 不平率 小于 20%的情况下, 不需要采取措施。这是因为不平衡的热量很小, 在大地本身具有的扩散能力和蓄热能力范围内, 对热泵的运行和当地环境影响可以忽略; (2) 不平率 大于 20%的情况下, 不平衡率相差较大, 此时需要根据情况确定选用辅助供热还是辅助冷却的辅助系统。4 地源热泵系统的热平衡对地埋管系统设计的影响根据测算, 若系统基本平衡, 则应分别按照夏季供冷和冬季供热两种工况计算地埋管的长度, 并按照较大者设计地源热泵系统。系统不平衡问题分为两种:冬季的热负荷大于夏季冷负荷的情况和夏季冷负荷大于冬季热负荷的情况。本文将分别对这两种情况进行分析。若系统的冬季的热负荷较大, 即冬季吸收的热量大于夏季释放的热量, 则应按照夏季供冷的工况设计地埋管地源换热系统, 而冬季高出的热负荷应当配置辅助热源, 常见辅助热源有太阳能加热器、锅炉供热、城市热网供热等, 辅助热源的配置应当根据当地的实际情况合理选择。若系统夏季的冷负荷较大, 即系统冬季有埋管换热器向土壤中吸收的热量小于夏季向土壤中释放的热量, 应按照冬季供热的工况进行地源热泵系统的设计, 选择合理的地埋管散热器、主机系统及其附属设备, 夏季散热量高出冬季吸热量的部分负荷应当采用辅助冷却系统进行补充, 常见有:冷却塔、冷却水池、冷凝装置等辅助散热设备。5 结语在我国, 夏热冬冷地区占有很大比例, 这些地区的建筑物在夏天有供冷需求, 在冬季有供热需求, 由于地源热泵系统既可以供热又可以制冷, 因此具有很好的应用前景, 国家建设部在夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中专门作推荐地源热泵系统作为建筑物的空调系统以实现节能需求。但是在地缘热泵系统的设计中, 应当以年为单位, 进行热平衡计算, 确定系统的不平衡率, 设计合理的地源热泵系统, 提高系统的运行效率, 保护环境。参考文献1武曈, 刘钰莹, 董喆, 方莹, 刘益才.地源热泵的研究与应用现状J.制冷技术, 2014 (04) :7175. 2郝赫, 张素芳, 李妍, 史勇.负荷平衡度对地源热泵系统的影响J.暖通空调, 2014 (02) :5154, 72. 3徐伟, 刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望J.建筑科学, 2013 (10) :2633. 4袁艳平, 雷波, 余南阳, 曹晓玲, 张丹.地源热泵地埋管换热器传热研究 (1) :综述J.暖通空调, 2008 (04) :2532. 5袁艳平, 雷波, 余南阳, 曹晓玲, 张丹.地源热泵地埋管换热器传热研究 (1) :综述J.暖通空调, 2008 (04) :2532.