阜阳地区地源热泵冷热平衡分析

王玉莲 张茂荣

摘  要：该文对阜阳地区地源热泵系统进行冷热平衡计算。不同的空调末端形式，因同时使用系数存在差别，造成系统冷热平衡是不同的。计算结果显示地源热泵系统的末端形式冬季采用地暖、夏季采用风机盘管比冬夏都采用风机盘管更有利于系统冷热平衡。根据计算的数据分析了系统运行策略。同时针对该项目给出减少系统冷热不平衡率的几项技术措施。

关键词：地源热泵;冷热平衡;末端形式

中图分类号：TU831           文献标志码：A

0 绪论

地源热泵是一种利用浅层地热，包括土壤、地下水和地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。在地源热泵系统内地源相当于一个蓄冷蓄热的载体，夏季通过热泵空调向土壤（地下水、地表水）蓄热，冬季通过热泵空调向土壤（地下水、地表水）蓄热。因此保证地源侧的热平衡是保证系统长期运行的重要因素。即在计算周期内，地源热泵系统总的释热量与总的吸热量应平衡。该文针对阜阳地区某小区的地源热泵系统冷热平衡计算，针对系统不同的末端形式进行计算分析，同时提出了保证系统长期运行的几点建议。

1 项目概况

该项目位于夏热冬冷地区，安徽省阜阳市。总供暖、制冷总建筑面积为15万m2，其中包括高层住宅、多层，别墅、幼儿园等，共739户。室内设计温度夏季24℃～26℃，冬季16℃～18℃。

根据甲方要求：按照同时使用系数0.8配置冷热源及其附属设备。冷热源采用地埋管地源热泵系统，选用3台螺杆式热泵机组3台，单机制冷量2 231 kW，制热量2 231 kW，1台离心热泵机组，制冷量2 637 kW。

地埋管系统设置在小区地下车库筏板下，分三个区域布置，埋设De25双“U”形高密度聚乙烯管，埋管间距4.5密。地埋孔孔数按照热负荷进行计算，共1 160孔，孔深120 m。采用冷却塔作为夏季辅助冷源。空调末端：夏季采用风机盘管，冬季采用地暖。

2 冷热平衡计算

2.1 不同末端形式冷热平衡计算

根据住宅空调系统的不同的末端形式计算出地埋管冷热不平衡率。忽略项目入住率的影响。根据计算结果提出系统末端形式及运行策略。降低冷热负荷的不均衡性是减小对冷热不平衡影响最直接有效的办法。

冷热负荷采用同时使用各空调区逐时冷负荷综合最大值。冷热平衡采用最热月中典型日24 h内逐时负荷进行计算当日的冷热量。每月按30天计，即可计算出当月的冷热量。根据每月室外平均温度计算出供暖季、供冷季的冷热量，进行全年冷热平衡分析。根据招标文件：空调运行时间夏季为5月20日～9月19日4个月;冬季为12月20日～3月19日3个月。计算时：空调系统负荷满足冷热负荷的需求，忽略系统负荷和室内所需负荷的不匹配性，忽略管道系统的冷热损失。热泵的效率按照5计算，单冷离心机效率6.3计算。

2.1.1 空调末端冬夏均采用风机盘管，计算系统的不平衡率

风机盘管采用时间当量计量系统。居住建筑夏季冷负荷同时使用系数在0.5左右。根据区域不同，该文计算采用空调系统同时使用系数0.55计算。冷热不平衡率-73.41%，即排热远远大于取热，严重不平衡。该文通过计算提出相应的2种解决方案：①设置辅助冷源;②增设高温热泵机组制取生活热水。

2种解决方案的运行方式及冷热平衡计算：

①辅助冷源：设置一台离心机组+冷却塔作为辅助冷源。夏季供冷：开启2台地源热泵机组+辅助冷源（离心机组+冷却塔），冬季供热：开启3台地源热泵机组，经计算系统不平衡率10.2%，可满足冷热平衡需求。②增设高温热泵机组制取生活热水。运行方式，夏季供冷：开启3台地源热泵机组，开启高温热泵热水机组制取生活热水。过度季：高温热泵机组制取生活热水。冬季供热：开启3台地源热泵机组，高温热泵机组制取生活热水。高温热泵机组的制热量780 kW，供热水时间：14 h/d。经计算系统不平衡率-11%，可满足冷热平衡需求。

2.1.2 空调末端

夏季采用风机盘管，冬季供暖采用地暖。地暖实施分户热计量，除别墅地暖分支路控制，其余建筑每户设置一个分集水器及温控系统，与风机盘管作为末端完全不同，风机盘管采用时间当量计量系统。夏季供冷系统每户同时使用系数0.63。该文风机盘管同时使用系数为0.55，地暖的同时使用系数无参考可寻，该文计算地暖不同同时使用系数下热平衡的变化趋势。地暖系统的同时使用系数分别按照0.95、0.9、0.85、0.8、0.75计算热平衡，计算结果如图1。

从图1可以看出：风机盘管同时使用系数为0.55的情况下，地暖系统同时使用系数在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，满足冷热平衡需求。

综合2种不同的末端形式：空调末端冬夏均采用风机盘管，系统不平衡率-73.41%;空调末端：夏季采用风机盘管，冬季供暖采用地暖。风机盘管同时使用系数为0.55的情况下，地暖系统同时使用系数在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，满足冷热平衡需求。因此可以看出：地源热泵系统的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用风机盘管比单一风机盘管更有利于冷热平衡。

地热平衡是一个相对复杂的过程，受很多因素影响。为防止出现取热大于排热的情况，系统预留其他辅助热源接口，并预留辅助热源的建筑条件，同时根据当地的气候条件，可适当减少供暖天数减少取热。

2.2 计算结果分析

从上述计算结果看，在阜阳地区，地源热泵系统的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用风机盘管比單一风机盘管更有利于冷热平衡。冬夏均采用风盘时，解决冷热不平衡的方案：①设置辅助冷源;②增设高温热泵机组制取生活热水。

3 减少系统不平衡率的技术措施

（1）在地埋管系统总管路上增加“热计量系统”，对地埋管系统的取热量及放热量进行统计、控制，为地埋管冷热平衡提供准确的基础数据。通过“人为”调整运行策略，达到地埋管的冷热平衡。

（2） 别墅及洋房的地暖系统控制方式为“分支路”控制，其温控器安装在各个房间内;高层地暖系统控制方式为“总管路”控制，其温控器安装在客厅等区域。

（3）地板采暖采用“热计量或者流量”等收费方式，减少系统热量损耗。

（4） 预备一些调节地埋管系统冷热平衡的预案，地埋管系统出现不平衡时启动预案，象增加冷却塔或者增设高温热泵机组，增加其他热源接口。

（5） 夏季房间内风盘开启时，有可能其他临近房间未开启，考虑到空气流动及负荷渗透等因素，此时该房间的实际负荷要大于常规计算负荷。另外，在风盘选型时一般会适当选大一些。因此在核算空调“制冷量”或者“使用率”时应适当放大。

（6）为了确保地埋管系统运行安全，提高项目安全等级，及降低地埋孔的冷热不平衡率，地埋孔分区设置，每个机组对应一个区域，每个区域分别设置测温井，根据测得数值分区域运行热泵机组。

（7）可以通过调整“供冷、供暖天数”来调节地埋孔的冷热平衡问题。

（8）采暖室外临界温度，一般民用建筑低于5℃确定供暖天数，阜阳低区低于5℃天数供计71天。具体供暖天数由业主最终确认。

4 结论

该文计算阜阳地区地源热泵系统的热平衡，并针对不同的末端形式计算系统的冷热平衡，同时给出了相应的解决方法。

空调末端冬夏均采用风机盘管，冷热不平衡率-73.41%，即排热远远大于取热，严重不平衡。针对这种情况下不平衡率：该文通过计算提出相应的2种解决方案：①设置辅助冷源;②增设高温热泵机组制取生活热水。地源热泵机组与辅助冷源供冷，冬季地源热泵机组供热。多余热量排入大气;冬夏季供冷供热均采用地源热泵系统，增设高温热泵机组制取生活热水。多余热量用于制取该项目全年生活熱水。经计算，2种方案均可达到冷热平衡。

从计算结果得出，在阜阳地区，地源热泵系统的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用风机盘管比单一风机盘管更有利于冷热平衡。冬夏均采用风盘时，解决冷热不平衡的方案：①设置辅助冷源;②增设高温热泵机组制取生活热水。

地热平衡是一个相对复杂的过程，受很多因素影响。为防止出现取热大于排热的情况，系统预留其他辅助热源接口，并预留辅助热源的建筑条件及电气条件，同时根据当地的气候条件，可适当减少供暖天数。

同时该文针对本项目给出减少系统冷热不平衡率的几点建议。

参考文献

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