新疆地区太阳能-地源热泵供暖系统设计与运行效果

■ 热孜望·坎吉林闽李伟亮李卫华韩宇

（1.新疆太阳能科技开发公司；2.东北大学）

新疆地区太阳能-地源热泵供暖系统设计与运行效果

■ 热孜望·坎吉1*林闽1李伟亮2李卫华1韩宇1

（1.新疆太阳能科技开发公司；2.东北大学）

针对新疆地区的气候特点及建筑能耗现状，提出一种综合利用太阳能和浅层土壤热能的热泵供暖空调系统，介绍系统的运行原理，结合当地的气象条件和建筑情况对复合系统进行设计，并对系统的运行性能进行测试分析。结果表明：该系统基本满足设计要求，系统的运行费用大幅降低，在新疆地区具有良好的应用前景。

太阳能；地源热泵；供暖系统；运行费用

0　引言

近年来，随着我国建筑业的蓬勃发展，建筑面积急剧增加，建筑供暖空调造成的能源消耗和环境污染已成为国家节能减排战略的重要实施领域[1]。新疆地区处于严寒地区，建筑供暖空调能耗巨大，建筑供暖产生的烟尘是城市环境污染的主要来源，将热泵技术与可再生能源结合利用是解决严寒地区供暖空调能耗问题的根本途径。在节能减排的压力下，各种形式的热泵供暖空调系统在我国得到了广泛应用，取得了一定的节能效果。但有很多系统未充分考虑热源能量输出特性与建筑负荷特性间的匹配关系，机械地推广到严寒地区，导致系统运行经济性和节能性均不理想，甚至有的还不能保证系统长期运行的可靠性。理论研究及工程实践表明，单一热源热泵系统很难兼顾系统的节能性、经济性及可靠性，多能互补耦合热泵技术是未来的发展方向。

美国的Chiasson等[2]对太阳能复合地源热泵系统进行了深入的模拟研究，对美国具有不同气候特点的6个城市的气候参数进行了长达20年的模拟分析，结果表明，联合系统具有良好的节能效果。余延顺等[3,4]对太阳能-土壤源热泵系统在寒冷地区各种运行工况下的运行特性进行了研究，得出寒冷地区太阳能保证率及集热器面积的确定方式。Trillat-Berdal等[5,6]对一栋180 m2独栋住宅中承担供暖的空调及生活热水的太阳能-地源热泵系统进行了试验研究，结果表明，供暖期内热泵供热平均COP为3.75。Rad等[7]对太阳能复合地埋管地源热泵系统在加拿大寒冷地区的应用进行了可行性研究，结果表明，相比单一地源热泵系统，可减少的地埋管长度与集热器面积的比例为7.64 m/m2，复合系统的经济性优于单一地源热泵系统。Kadir Bakirci等[8]实验研究了太阳能复合垂直埋管地源热泵系统在土耳其寒冷地区的运行性能，结果表明，在整个供暖期内热泵和整个系统性能系数在3.0～3.4和2.7～3.0之间。韩宗伟等[9-11]分别通过实验和模拟方式对严寒地区太阳能季节性土壤蓄热和相变蓄热辅助地源热泵系统的运行性能进行了研究，结果发现，太阳能与地源热泵的耦合既提高了系统的运行性能，还保证了系统的长期运行可靠性。林媛[12]搭建了关于太阳能-土壤源耦合热泵系统的数学仿真模型，并且在求解仿真模型时给出了综合换热系数，同时还考虑了土壤与换热器管壁的接触热阻，并对地下埋管换热器周围土壤的非稳态温度场采取有限单元法进行了数值模拟，分析了埋管换热器周围土壤温度的变化规律。

为了探索适合新疆地区的可再生能源供暖空调方式，本文在充分考虑新疆地区可再生能源特点和建筑负荷特性基础上，从理论研究、关键技术研究及工程示范角度，对严寒地区多热源互补热泵系统构建方法和关键技术展开全方位研究，以推动新疆地区供暖空调节能减排工作的进行。

1　太阳能-热泵供暖空调系统工作原理

基于新疆地区气象条件的综合分析，为了充分利用一年四季太阳能和浅层土壤热能实现建筑可持续供暖空调效果，本项目采用太阳能季节性蓄热与地源热泵进行复合，同时兼顾夏季供冷需求，为此提出了太阳能季节性蓄热复合地源热泵系统，该系统原理图如图1所示。

图1　太阳能季节性土壤蓄热复合地源热泵供暖空调系统图

由图1可知，该系统主要由太阳能集热器、土壤换热器(地埋管)、热泵机组、辅助热源、板式换热器、供暖末端等组成。图中蒸发器与冷凝器属于同一热泵机组，为了实现分阶段调节，系统中可设置多个热泵机组。太阳能集热器采用并联同程式阵列形式，土壤换热器也采用并联同程式连接。 该系统存在6种运行模式：

1)太阳能季节性土壤蓄热模式。当在非供暖期或供暖系统停止运行时，可通过地埋管换热器将集热器收集到的太阳能蓄存在深层土壤中，以提高土壤换热器周围的土壤温度，保障地源热泵系统持续高效地运行。

2)太阳能土壤蓄热同时土壤直接供冷模式。工业园内各建筑夏季空调负荷较小，而地埋管换热器的换热长度是按照冬季供暖工况确定的，换热面积较大。因此，可利用一部分地埋管换热器进行太阳能土壤蓄热，另一部分进行空调供冷。当供暖结束后，一般土壤换热器周围土壤温度较低，同时由于空调对象湿负荷较小，此时可利用土壤换热器直接和土壤换热制取冷水进行空调制冷，同时将空调排热蓄存至土壤中，其效果有助于土壤温度场的恢复。

3)太阳能直接供暖模式。供暖初期建筑物热负荷较小，同时太阳辐射相对较强，经过长时间的蓄热，土壤换热器周围温度较高，太阳能土壤蓄热效率相对较低，此时可利用太阳能直接供暖。

4)土壤源热泵供冷模式。夏季当土壤直接供冷不能满足要求时，将其作为地源热泵的冷源供冷确保供冷效果。

5)土壤源热泵供暖模式。当供暖期为夜间或阴雪天气时，太阳能集热器有效集热量为零，此时运行土壤源热泵进行供暖。

6)太阳能联合土壤源热泵供暖模式。供暖期内白天太阳能有效集热，但太阳能直接供暖模式难以满足供暖需求，此时可启动土壤源热泵进行联合供暖。

2　太阳能-地源热泵复合供暖系统设计

2.1示范项目概况

本项目示范点为新疆太阳能科技开发公司甘泉堡太阳能产品研发生产基地，位于乌鲁木齐市高新区甘泉堡工业园，占地面积约10万m2，位于44.4° N，87.7° E。表1给出了甘泉堡基地新建建筑规划面积。

表1　甘泉堡基地新建建筑规划面积

根据乌鲁木齐地区的建筑设计规范，建筑外围护结构按照节能建筑进行设计。该建筑周边无城市热网，为了保障园区生产和生活需求，同时作为研究基地探索研究适用于新疆地区的可再生热泵供暖空调系统形式，应用太阳能集热、季节性土壤蓄能、地板辐射供热/冷等技术，进行利用太阳能、土壤热能联合热泵技术供暖空调的研究与示范。

2.2建筑动态负荷特性计算分析

建筑动态负荷计算需结合不同建筑的性质、使用要求及建筑具体结构参数。根据乌鲁木齐地区的气象参数及建筑设计图纸，结合工业园内拟新建的宿舍、餐厅、办公楼、厂房的不同使用要求，利用DeST软件对宿舍、餐厅、办公楼、厂房进行了全年动态负荷模拟；并通过计算这些地方的全年动态负荷，确定建筑全年动态负荷特性。图2为工业园内建筑全年逐时总负荷变化曲线，计算结果见表2。由表2可知，一期建筑最大热负荷为1153.8 kW，因此可确定一期建筑热泵机组容量为1200 kW。

图2　甘泉堡基地新建建筑全年逐时总负荷变化曲线

表2　甘泉堡基地新建建筑全年总负荷计算结果

图3为供暖期内工业园内一期建筑在不同热负荷值范围出现的时间统计。由图3可知，一期建筑热负荷值在600 kW以下出现时间较多，因此可采用两台以上的机组实现分阶段调节。

图3　甘泉堡基地新建建筑逐时负荷出现频段统计

2.3地下土壤换热区域地质勘测及土壤热物性测试分析

2.3.1现场地质勘测情况

本项目中拟采用土壤热能进行供暖，传统的地源热泵系统根据取热形式的不同，可分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。上述3种形式的选择与地质条件密切相关，在地下水丰富或地表水水源良好的地方，采用地下水或地表水的地源热泵系统换热性能好、换热系统小、能耗低，性能系数高于地埋管地源热泵系统。

现场勘测得到如下结论：

1)在勘探深度8.0～15.0 m，地层主要由表土和粉土构成；

2)场地地下水位埋深2.9～4.7 m，地下水类型为潜水，渗透性、富水性一般，地下水位年变幅为0.5～1.5 m。

3)场地环境水、土对建筑材料具有强腐蚀性；

4)场地标准冻土深度1.4 m。

此外，根据现场钻探254.6 m取水井的结果来看，由地面至地下254.6 m的土壤类型如表3所示，相应土壤类型主要是粘土和砂质粘土，其渗透率较差，通过对取水井测试结果表明，单位涌水量为0.046 L/(s·m)。

表3　不同深度的地质类型

2.3.2岩土热响应测试分析

在太阳能季节性蓄热复合地源热泵系统中，地下土壤换热系统既是蓄热换热器又是地源热泵的取热器，其性能好坏直接影响整个系统的节能性和经济性。在设计地下土壤换热系统时不仅需考虑换热区域的地质条件，还应知道土壤的准确的热物性参数，因此在本项目设计之初，首先对现场土壤的热物性进行了测试分析，测试过程中在不同位置对两个钻孔进行了测试，表4为测试孔基本参数。

表4　测试孔基本参数

通过测试可知，1#测试孔初始温度为11.2℃，导热系数为0.931 W/(m·℃)，容积比热容为1.873×106J/(m3·℃ )；2#测试孔初始温度为 11.3℃，导热系数为0.879 W/(m·℃)，容积比热容为1.969×106J/(m3·℃)。

2.4地下换热系统的设计

地埋管区域地质构造以粘土层为主。地下100 m内主要由粘土、粉质粘土、黄土、细沙构成，比较有利于钻孔，但导热系数偏低、地下水量较小、地下水回灌较困难。所以在项目实施中，否定了实行水源热泵系统方案，决定采用地源热泵系统方案。

党的十八大以来，云南省法院紧紧围绕“努力让人民群众在每一个司法案件中感受到公平正义”的目标，坚持司法为民、公正司法，充分发挥人民法院审判职能作用，为乡村经济发展、社会和谐稳定作出了积极贡献。2013年到2017年，131个基层法院审（执）结各类案件1460286件，占全省法院总结案数的75.15%。

单位孔深换热量是地热换热器设计的一个极为重要的参数，它是确定换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与埋管结构等的重要依据。如果单位孔深换热量取值偏大，将导致埋管数量偏小、循环液进出口温度难以达到要求；进而导致热泵实际的制热、制冷量低于其额定值，使系统达不到设计要求。反之，如果单位孔深换热量取值偏小，埋管数量将偏大，工程的初始投始资增大，但热泵机组的运行费用将会降低[13]。

在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域深层岩土热物性的测试情况，考虑到当地地温初始温度(11.3 ℃)、冬季地埋管循环液温度设定(3 ～7 ℃)等因素，本项目地埋管换热器采用双U换热器，其长度按照取热工况选取，其单位孔深换热器为23～26 W/m。

由于在本项目中进行了太阳能土壤蓄热，埋管换热器周围的土壤温度场可保持以年为周期的热平衡，因此不需要增加埋管间距来缓解由于冬夏冷热负荷不平衡而引起的长期运行性能下降的问题。本项目中确定地埋管换热器间距为5 m，采用矩形排列，考虑到渗流对蓄热效率的影响，矩形的短边垂直于渗流方向。

2.5太阳能集热系统设计

针对地源热泵系统冬夏取、排热不平衡问题，本项目采用太阳能集热器集热，并将热量蓄存至土壤中以提升取热井周围土壤的温度。在太阳能集热、蓄热系统设计时，依据现场可利用面积及系统阵列与周围环境相协调的实际情况，太阳能集热系统集热面积为218 m2，集热阵列由8组组成，每组为8台集热模块。太阳能集热器向正南偏西5°布置，倾斜角度为40°。太阳能集热系统为开式常压无储热水箱系统，运行采用温差循环，温差设置为8～45 ℃可调，其与地源侧采用板式换热器，换热面积为20 m2。

图4　太阳能集热阵列现场

2.6太阳能-热泵系统工程示范总体概况

对太阳能-浅层地热复合源系统进行相关试验研究后，在新疆太阳能科技开发公司甘泉堡生产研发基地进行应用示范。总建筑面积17513 m2，生产用钢结构厂房面积为6700 m2(1层)，实验楼面积为3500 m2(3层)，宿舍面积为 5700 m2(6层)，研发中心面积为1600 m2(2层)。太阳能-浅层地热复合源系统采用约200 m2太阳能集热采光面积，空调主机为地源热泵机组(土壤换热机组)，室内空调制冷、采暖方式部分为地板辐射采暖系统、部分为对流式风机盘管。

甘泉堡太阳能生产研发基地所有建筑总热负荷约1200 kW，夏季制冷负荷最大约300 kW。采用两台型号规格相同的双螺杆压缩机热泵机组(型号LSBLGRG-770MD，性能参数：制热量620 kW，制热功率147 kW； 制冷量661 kW，制冷功率118 kW)，满载总功为236 kW；每台机组有两个压缩机，可分别工作，单个压缩机56 kW。地源侧循环泵2台11 kW、1台15 kW按需分别开启。供暖(制冷)循环泵2台10 kW，一用一备。

图5　热泵机房现场图

3　示范工程运行效果

2013年7月，太阳能储热部分完工，进行太阳能给土壤源储热的实验，由于天气原因于2013年9月25日开始供暖，2014年3月30日停暖，2014年6月30日开始制冷，2014年8月20日停止制冷。从目前该项目投运效果看，建筑冬季采暖和夏季制冷基本达到了设计要求，研发中心室内温度为16～20 ℃，办公楼室内温度为18～22 ℃，职工宿舍室内温度为14～18 ℃。2013～2014年冬季采暖运行费预期28万元，本项目示范工程按实际建筑面积计算，则每平米建筑面积供热耗电成本为15.9元；按当地热力公司测算的建筑面积计算(钢构厂房边沿净高13 m，最高处达17 m，热损大，项目接入热力公司管网供暖，1 m2至少要按3 m2计算)，则整个采暖季的采暖费用应为9.07元/m2。热泵系统全年基本无污染物排放，项目经济效益和环境效益均显著，作为太阳能复合地源热泵项目，达到了很好的示范效应，引起了较高的社会关注度，社会效应良好。

4　结论

由于严寒干旱地区土壤温度较低(如约8 ℃)，处于地源热泵正常工作温度范围(0～25 ℃)的低端，又因严寒干旱地区冬季采暖时间长(如约4300 h)及土壤传热能力较低，土壤温度恢复能力较差，恢复时间较长，往往导致地源热泵系统的“冬用夏灌”不平衡。太阳能-地源热泵供暖系统通过复合利用太阳能和土壤热能两种热能，能够解决上述问题。系统的能效比COP比地源热泵高出约50%，提高了地源热泵系统的节能效果。严寒干旱地区太阳能资源良好，且太阳能辐射不受地点、位置和水文地质条件约束，太阳能-地源热泵供暖系统使用地域广泛，尤其适用于新疆、内蒙古、青海、甘肃、陕西北部、西藏等具有良好太阳能资源及冬季需要采暖的地区。

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2015-11-17

国家科技支撑项目(2012BAA13B00)

热孜望·坎吉(1963—)，女，大学本科、研究员，主要从事新能源应用技术方面的研究。794941060@qq.com