利用太阳能解决地源热泵冷堆积问题初探

2012-09-21北京勘察设计研究院有限公司魏俊辉

智能建筑与智慧城市 2012年10期

文｜北京勘察设计研究院有限公司魏俊辉

1 引言

地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源的高效、节能、环保型的能源利用技术。使用地源热泵，只需输入少量的高品位电能，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。冬季，它把地能中的低品位能“取”出，提高温度后，供给室内采暖；夏季则把室内的热量“取”出，释放到地能中去。

但是，地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题。在冬季运行期间，地源热泵系统地下埋管换热器的吸热主要依靠埋管换热器内流体与周围固体介质之间的换热来实现，这一过程同时伴随着地下埋管周围介质温度的降低。随着地源热泵系统连续、长期的运行，如果从地下过多地取热，势必因热量累积效应，造成土壤温度场得不到有效恢复。这将直接影响地下埋管换热器的换热性能，进而影响热泵系统的制热效率（COP）。

我国地域辽阔，很多地区全年冷、热负荷差异较大，导致许多地源热泵项目全年取、放热量不均。另外，有些项目也因自身的特殊性，存在全年取、放热量差异较大的问题。这些项目仅靠地源热泵系统冬、夏季运行，无法保证地埋管换热器区域岩土体冷、热平衡，系统的运行存在诸多隐患。

为使常年取热量大于放热量的地源热泵系统长期、高效运行，可以采用太阳能回灌填补土壤热量损失的方法。该措施具有巨大的优势：太阳能是一种洁净的可再生能源，有着常规矿物燃料无可比拟的优越性，是地源热泵系统较为理想的辅助热源；我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上的地区年日照时数大于2000h，年日照量在5×106kJ/m2以上。

由于太阳能存在两个主要缺点，即能流密度低和强度受各种因素（季节、地点和气候等）的影响不能保持为常量，单独利用太阳能对建筑物进行供暖一般很难满足要求，尤其是在寒冷地区。所以，将热泵技术和太阳能利用结合起来，使用太阳能为地埋管系统补热，既可以利用土壤的蓄热特性实现太阳能的跨季节蓄热，又可以保证地埋管地源热泵系统的正常运行，更大范围地应用可再生能源，具有广阔的发展前景。下面，就结合一个工程实例来介绍利用太阳能回灌填补土壤热量损失的方式。

2 工程概况

某地源热泵项目，位于河北省廊坊市，建筑面积为20016.84m2，其中办公面积为4975.6m2，厂房面积为15041.24m2。根据业主要求，冬季需为办公区域和厂房区域供暖，办公区域室内设计温度为18℃，厂房区域室内设计温度为10℃；夏季仅需对办公区域进行空调制冷，室内设计温度为26℃。

经过计算，该项目的夏季空调冷负荷综合最大值为400kW，冬季空调总热负荷为1255kW。

3 空调方案

3.1 方案说明

本项目集中设置冷、热源，采用垂直埋管地源热泵与太阳能综合应用系统。考虑到本项目冷、热负荷相差较大，地源热泵运行会存在冷、热不平衡，采用太阳能集热系统作为补充热源，将系统冷、热不平衡率控制在可接受的范围内，以保障系统的长期有效运行。非采暖季，太阳能得热回灌地下以补偿采暖季取热过多导致的土壤冷、热不平衡。

图1为本项目方案流程示意图。

（1）采暖季的方案流程为：

◆空调采暖用地源热泵机组GHP1、GHP2、GHP3全部运行制热；

◆阀门V1、V3、V5、V7手动关闭；

◆阀门 V2、V4、V6、V8、V11、V12 开启；

◆地埋管循环泵B11、B21开启；

◆空调末端循环泵B12、B22开启。

（2）制冷季的方案流程为：

◆空调采暖用地源热泵机组GHP1运行制冷；

◆阀门V2、V4、V6、V8手动关闭；

◆阀门V1、V3、V5、V7开启；

◆地埋管循环泵B11开启；

◆空调末端循环泵B12开启；

◆空调采暖用地源热泵机组GHP2、GHP3停止；

◆阀门V11、V12手动关闭；

◆地埋管循环泵B21关闭；

◆空调末端循环泵B22关闭；

◆阀门V9、V10手动开启；

◆集热系统一次泵、二次泵B31、B32开启，将太阳能得热储存在竖井群中。

（3）春秋季的方案流程为：

◆空调采暖用地源热泵机组GHP1、GHP2、GHP3全部关闭，停止工作；

◆阀门 V1、V3、V5、V7、V2、V4、V6、V8、V11、V12手动关闭；

◆地埋管循环泵B11、B21关闭；

◆空调末端循环泵B12、B22关闭；

◆阀门V9、V10手动开启；

◆集热系统一次泵、二次泵B31、B32开启，将太阳能得热储存在竖井群中。

3.2 主机选型

由于该建筑末端要求温度在50℃～55℃，所以选择三台克莱门特公司的高温螺杆式水地源热泵机组PSRHH-1702，用于采暖、制冷。PSRHH-1702的具体参数如表1所示（其中制热工况下热水进出水温度为50/55℃，地下进出水温度为10/5℃；制冷工况下冷水进出水温度为12/7℃，地下进出水温度为25/30℃）。

3.3 地埋管换热器设计

根据冬季从土壤中取热的量确定土壤换热器的孔数，取最不利情况下的计算结果作为依据。

表1 PSRHH-1702实用地埋工况参数表

3.3.1 埋管形式

土壤热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管两种。本工程采用竖直埋管的形式，使用双U型管——如此可在换热效果相同的情况下，较采用同样竖直埋管的单U型管方案减少20%的打孔数量。采用热熔焊接制作成型的双U型管，可增强管道的传热能力，且管路接头少，承压能力强，不易泄漏。

根据本工程特点，土壤换热器采用HDPE100双U型埋管方式。HDPE100的管径为32mm，壁厚3mm，钻孔直径为150mm。考虑到井与井之间相互热干扰的影响，确定埋管间距为5m×5m。钻孔深度暂且定为100m。

3.3.2 管路计算

经计算，确定总井数为300孔，其中200孔用于蓄热。为了防止夏季蓄热孔干扰地源热泵系统的制冷运行，蓄热孔与地埋管孔群之间留有足够的距离。

3.4 冷热平衡分析

空调设计日逐时热负荷、冷负荷如图2、图3所示。

图2 空调设计日逐时热负荷图

图3 空调设计日逐时冷负荷图

负荷平衡情况如表2所示。

该系统全年累计耗冷量为1.774×109kJ，全年累计耗热量为5.706×109kJ，垂直地埋管地源热泵系统全年向土壤中排热2.129×109kJ，从土壤中取热4.755×109kJ，全年不平衡量为2.626×109kJ，全年不平衡率为55%。

3.5 太阳能集热面积计算

该项目位于河北省廊坊地区。廊坊地区位于河北省的中部，紧邻北京，年日照时数为3000～3200小时，水平面上的年太阳辐照量为5400～6700MJ/m2，属于太阳能资源较丰富的地区，较适宜利用太阳能。

3.5.1 太阳能集热器的形式

太阳能集热器统一放置在屋面上，朝向正南，安装倾角为30°。采用强制循环间接式非承压系统，以水为集热循环介质。

3.5.2 气象参数

与太阳能集热系统设计相关的该地区气象参数如表3所示。

该系统4—10月利用太阳能蓄热，因此计算得到每平方米集热器年太阳总照射量为4.229×106kJ。考虑太阳能的集热效率，经过计算可知，每平方米集热器利用太阳能年蓄热量为1.184×106kJ。

3.5.3 计算太阳能集热面积

经计算，需增加太阳能集热器的面积为2000m2。如此，垂直地埋管地源热泵系统全年向土壤中排热4.497×109kJ，从土壤中取热4.755×109kJ，全年不平衡量为0.258×109kJ，全年不平衡率为5.4%，在可接受的范围内。由此可见，将太阳能集热系统与地源热泵系统相结合，使系统全年不平衡率降低了50%，彻底解决了冷堆积的问题。

4 结束语

太阳能属于可再生能源，且清洁无污染，资源丰富。在地源热泵系统中引入太阳能，以地埋管换热器作为季节性蓄热技术的载体，把太阳能、地源热泵这两种技术有机地结合在一起的手段，由于融入了季节性蓄热技术，既可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件限制和阴雨天气等随机因素影响的不足，又可以克服地源热泵系统因全年吸排热量不平衡而造成地下岩土温度不断降低的局限性——由于太阳能的辅助供热作用，可以实现系统向地下排热与自地下取热的平衡，从而使地下温度场的变化保持稳定，保证机组运行工况稳定。

综上所述，太阳能与地源热泵结合的复合能源利用技术可以集中两种可再生能源的优点，同时弥补其各自的不足，是很有潜力的可再生能源建筑应用的技术。