地埋管地源热泵系统夏季冷却塔补热研究与实践

邵英秀，侯聪霞，王立群，王丽辉，郑晓亮，张鹏飞.石家庄职业技术学院，河北石家庄 05008.河北建工集团有限责任公司冀发地源热泵研究所，河北石家庄 050000

地埋管地源热泵系统夏季冷却塔补热研究与实践

邵英秀1，侯聪霞1，王立群1，王丽辉1，郑晓亮2，张鹏飞2
1.石家庄职业技术学院，河北石家庄 050081
2.河北建工集团有限责任公司冀发地源热泵研究所，河北石家庄 050000

单采暖地埋管地源热泵系统几乎都存在冬夏热不平衡，冬季地埋管水温过低的问题。利用夏季较高温度的空气进行冷却塔逆向运行补热是技术经济比较好的方式。

地埋管；地源热泵；冷却塔补热

1 冷却塔补热研究的技术路线

在城镇化以及保障性住房建设中，地埋管地源热泵系统几乎100%是单采暖运行，都存在夏季补热的问题，该问题的解决不但可以完善地埋管地源热泵系统的设计、建造、运行，而且可以扩大地埋管地源热泵系统的适用范围。夏季地下岩土体的补热是解决地埋管地源热泵系统冬夏不平衡，保证单采暖地埋管地源热泵系统长期稳定运行的唯一途径。综合考虑各种方案，在没有余热资源的条件下，利用夏季较高温度的空气通过冷却塔逆向运行加热地埋管换热器中的水是技术经济比较好的方式。冷却塔补热在国内外还是空白，课题组对冷却塔补热进行了系统研究，确定了冷却塔选型要点和计算方法。

结合某小区地源热泵项目对冷却塔补热的方式进行深入研究。在夏季室外湿球温度高于20℃的情况下，通过循环水系统经冷却塔吸收空气的热量实现循环水温由17℃提高到23℃，较高温度的循环水再输送至地埋管系统与地下土壤（岩土）进行换热，从而提高地下土壤（岩土）的温度，实现热量的跨季节储存。课题主要研究路线如下：根据单采暖地下局部热不平衡现象，建立热量数据采集实验系统并采集数据，然后进行数据分析并计算补热量，确定冷却塔逆向运行补热方式及设备选型，最后进行系统补热后数据采集处理，计算系统补热后的供热效果和效率提高。

2 冷却塔补热实验系统建设

课题组在该小区地源热泵项目上采用冷却塔补热的方式，建立实验研究系统，研究冷却塔补热的相关问题。小区建筑面积78 924㎡，总热负荷3 395.88kW，共设计100m深单U地埋管换热器1 300个。实际测量该小区采暖季逐时热负荷及总耗热量，采用GLD地源热泵计算软件进行计算，冬季供暖120天，通过25年的计算机模拟，某小区冬季总耗热量为6 595 031kWH（实测冬季总耗热量为6 444 896kWH，与计算相差2.28%）。

模拟夏季配置总制冷量为4 800 000kWH空调，可以使得地下土壤冬夏热平衡，25年地下岩土体平均温度变化为1.1℃，考虑地下岩土体的温度自然恢复能力，1.1℃温升可以忽略不计。夏季配置空调向地下的排热量即为夏季应补充的热量，通过以上计算机模拟，夏季空调的COP值为3.4，即夏季空调向地下的排热量（夏季补热量）为：4800000+4800000/3.4=6211765（kWH）。

3 地下岩土体温度场的总蓄热量测试

冷却塔作为吸热设备，在运行时除了蒸发过程还存在冷凝过程是一个多变过程，循环水温的极限温度是空气的湿球温度，通常时间运行时循环水温都要比空气湿球温度低2℃～3℃，结合北方地区的气象情况，冷却塔运行参数为：空气湿球温度＞20℃，地理管循环水温度17℃～23℃，结合室外气温的变化取平均循环温差3℃。循环水供回水温度为18/15℃～23/20℃。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，该地区室外空气温度湿球温度高于20℃的小时数为1700小时，夏季可用补热空气湿球平均温度为22.95，则冷却塔的吸热量为6211765/1700=3 653kW，考虑气象数据具有一定的离散性，循环水进出口温差按3℃计算，本项目补热选用1 000m³/h～1 200m³/h的冷却塔能满足夏季补热需求。以上计算冷却塔循环水进出口温差按3℃计算。

表1 冷却塔参数

风量（m³/h） 265000×2风机直径（mm） 3800×2电机功率（kW） 15×2重量（自重）（kg） 7380×2重量（运行重）（kg） 18500×2进水压力（kPa） 500×2 Dm 64 10m 63.1 16m 60.2噪声dB（A）

工程施工完毕后，课题组于2015年夏季在该小区进行了补热性能的测试。根据室外温度的变化，冷却塔自动运行，累计运行1 685h，给地下总计补热6 277 210kWh，耗 电（37×3+30）×1685=237 585kWh，补热系统COP=6277210/237585=26.42。地下土壤平均温度恢复到15.2℃，略高于初始土壤平均温度。

4 经济效益分析

在安装运行了一台1 000m³/h的逆流式冷却塔，对该小区的地埋管换热系统进行补热后，从当前的补热情况看，冬季地埋管水温基本在10℃以上，仅一个采暖季节省的运行费用就可回收增加冷却塔的费用。直接经济效益应用冷却塔补热系统后，冬季采暖可节省运行费用39.1万元，折合4.95元/㎡；运用该项技术后，提高热泵系统COP值1.2，可节省电能73.77万kWh。采用冷却塔补热技术后，年节约电能73.77万kWh，相当于节省标准煤298t，减排CO21093t，减少SO2排放0.77t、粉尘排放2.9t、NOX排放2t。

5 结论

1）冷却塔夏季补热系统的设计完善了地埋管地源热泵系统的设计方法，补充现行地埋管地源热泵系统设计时不考虑地下土壤可开采热量的承载力，扭转现行多数地埋管地源热泵系统运行制热量逐年衰减20%～30%的现象，降低地埋管安装数量20%以上，提高冬季采暖时的地下温度，降低地源热泵系统整体运行费用。

2）采用冷却塔对地下进行补热，补热循环水温18/15℃，工艺补热系统结构简单，相对于空气换热器补热，可以采用现行建筑设备市场上成熟的标准产品，无需做专门的产品研发生产，使用设备价格低、成熟度高，一次性投资低，设备运行效率高，在整体上降低地源热泵系统总投资和总运行费用。

3）目前补热使用的补热用冷却塔还是专为散热设计的产品，在后期还需和设备生产厂家进行合作，进一步测试冷却塔补热时的各项参数相对于散热时的变化，依此作为依据优化生产出一种更适合补热用的冷却塔，进一步提高冷却塔补热效率。

［1］GB 50366-2005 地源热泵系统工程技术规范［S］，2005.

［2］任晓红，孙纯武，胡彦辉.U型埋管换热器三维数值模拟和供热实验研究.重庆建筑大学学报，2004，26（5）：90-95.

［3］李元旦，张旭，周亚泰，等.土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究.暖通空调，2001，31（1）：17-20.

TH3

A

1674-6708（2016）168-0224-02

本论文为河北省科技厅指令性课题“地埋管地源热泵系统节能技术研究”（项目编号13274511D）的结题论文。

邵英秀，石家庄职业技术学院。

侯聪霞，石家庄职业技术学院。

王立群，石家庄职业技术学院。

王丽辉，石家庄职业技术学院。

郑晓亮，河北建工集团有限责任公司冀发地源热泵研究所。

张鹏飞，河北建工集团有限责任公司冀发地源热泵研究所。