土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统分析

孟方芳

（广东省重工建筑设计院有限公司 广东广州 510000）

1 引言

现在科技不断发展，生活水平不断提高，现在社会的用电结构，也包括电力负荷在建筑空调系统中也在不断变化。这个比例正在增加。因为通常空调系统的电力在用电较多的白天需求较大，并且低压部分的电力消耗很少，所以空调系统的电力消耗极大地加剧了电网峰谷差。如果能够将空调制冷系统中使用的部分或全部电力在夜间转换为低功率，转移高峰负荷，那么它将平衡电力的峰谷差，从而为免费建设高峰电站节省投资，减少环境污染，并使电网负荷利用效率有所提升。以土壤作为热源的热泵系统因其使用可再生地热能而被誉为21世纪最具前景的节能环保空调技术。

基于集成制冷技术与土壤-土壤相互作用的整合，缓解我国供电形势紧张，平衡电网的峰谷负荷与可再生浅层地热能的利用，耦合热泵技术要素和结果，提出了一种基于空调负荷和热负荷补充的空调系统-土壤蓄积和土壤耦合热泵的综合系统。这个体系充分应用冷藏科技和土壤耦合热泵科技的优势。它集成了蓄冷器和埋管换热器，克服传统蓄冷系统存储面积大，配置困难的缺点。在炎热的夏季和暖冬地区，把土壤蓄热和土壤耦合热泵系统（GCHPS）联系起来，经过特殊土壤蓄积方法控制和调节土壤温度，以满足土壤耦合热泵系统长周期运行。同时，由于使用了土壤储存，可以缩减地下热交换器的大小，使系统更加经济高效。

2 土壤蓄冷与耦合热泵集成系统

在充分了解国内外土壤热泵与蓄冰技术的发展与应用的基础上，采用新技术对传统技术进行改造，整合土壤热泵与蓄冰技术要素与成果。该系统充分利用了冻土冷藏技术和土壤热泵技术的优势。它还使土壤热泵系统中的埋地热交换器成为夏季冷藏空调系统中的冷藏装置的两倍，用于改造传统冷藏系统和土壤耦合热泵系统，并在此基础上发展创新。如图1所示，提出了一种土壤综合冷藏和热泵系统，不仅平衡电力峰谷差，还充分利用低品位能，节约能源。

图1 土壤蓄冷与热泵的集成系统流程图

2.1 集成系统的工作原理

在夏季空调运行情况下，建筑物所需的部分或全部冷量通过电网低压时的低成本电力储存在土壤中，在发电高峰时段，储存在土壤中的冷量被抽取出来用于空调系统以调节电力的高峰负荷；在需要冷却的过渡季节，体系根据土壤耦合热泵系统冷却条件运行，系统的冷凝热量被排放到土壤中，为土壤的季节性能量平衡进行补偿，并根据冬季供暖条件储存热量。在采暖季节，体系根据土壤耦合热泵系统的加热条件进行，并且土壤被用作热泵系统的低热源。

2.2 集成系统的特点

（1）地下管道换热器有两个功能：①土壤耦合热泵的低热源；②冷藏空调系统中的蓄冷装置。

（2）该系统是具有冷藏功能的土壤耦合热泵系统。该组合物与简单的冷藏系统不同，它无须安装蓄冷装置（冷却储水箱，蓄冰水箱等）。替代由土壤耦合热泵系统组成的新系统，地下热交换器的结构发生变化，实现冷藏库系统与土壤耦合热泵系统有机结合。

（3）为了实现集成系统的各种功能，需要使用三种条件的冷水加热器。并提出了三种情况下冷水机/热水器的新思路和新图。

（4）该系统是一种冷、热条件的转换，冷藏和冷却条件的转换，通过水流换向转换冷藏空调系统的运行模式，以及增加冷却水系统。

3 集成系统的验证

利用计算机模拟技术探讨建设了土壤蓄热与土壤耦合热泵综合系统的数学模型，且进行了应用实验数据验证所建模型是否可靠。以此为基本，采用数值分析方法分析了其综合系统在中国夏热冬冷地区的可行性，可靠性，运行特性和运行效果。

利用土壤冷库移峰填谷是冷藏空调的新思路。考虑到土壤热湿传递过程的复杂性和影响因素的多样性，需要通过模拟实验土壤蓄冷，研究、地下土壤蓄冷的机理、热特性等。图2显示了在封闭单元的沙箱中创建土壤边界条件的实验方案。

图2 试验方案

为了开始评估这个体系是否可得到较好应用，已经查阅了非常多的关于储冰和土壤耦合热泵技术在国内外的应用。经过处理和综合分析，得到了比较全面的技术和实施方法。关键技术是：

（1）土壤储存是这个论文的中心问题。特别是钻研地下储存的范围与四周土壤有相关的联系。因此，实验技巧在这个话题中非常重要。

（2）对于土壤而言，可分为几个相。水的移动将受到土壤中热量传递的作用，而热量又会干扰到水的迁移，并且数量和热湿的传递过程会的相互作用，并且这个过程是严重的非线性耦合。因此，探讨换热器在土壤中地下的热湿传导的理论基础（如线热源理论，圆柱形热源理论，三维瞬态远程传热模型等），可以帮助建设土壤耦合热泵模型。

（3）这个项目重要的手段之一是计算机模拟空调制冷系统。在探讨技术中植入计算机模拟技术，采用模拟方法对系统和过程进行取代，之前的实验方法就会被代替，省下了许多人与物的资源。通过动态分析方法代替之前的静态分析方法，建设数学模型与现在的体系或经过更加相近。为了将仿真模型的通用性和准确性提升，在体系中的仿真研究中把现代人工智能科技引进。

4 结束语

在电力供应日益紧张的情况下，空调和冷藏技术的发展将成为有效平衡电网峰谷差异的重要技术措施之一；而使用土壤作为冷热源的土壤耦合热泵技术将因其可再生而被使用。地热能与能源的可持续发展策略相吻合。蓄冷技术与土壤耦合热泵技术相结合，充分发挥了两种技术的优势，集成了冷藏技术和土壤耦合热泵技术的各种要素和成果，耦合热泵技术。一个系统同时解决了两个热点问题：空调器当前的峰峰负载和空调项目中使用可再生能源。所提出集成系统为现代的建设提供环保并且节能的热泵式冷库空调方法，可以给未来空调的可持续发展策略供应可靠的理论基础和科技储备。

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