能源塔—地埋管复合源热泵系统跨季节蓄热实验研究

2021-08-23王建辉王彦博孙振锋刘自强梁迎凯彭国辉王伟玉

可再生能源 2021年8期

王建辉，王彦博，孙振锋，刘自强，梁迎凯，彭国辉，王伟玉，刘伟

（1.河北省科学院能源研究所，河北石家庄 050081；2.中国人民财产保险股份有限公司石家庄市分公司，河北石家庄 050000；3.河北省新能源技术推广站，河北石家庄 050021）

0 引言

传统的土壤源热泵系统将地下岩土作为一个巨大的蓄热体。在夏季，热泵系统将建筑房屋的热量输送并存储到地下，从而降低建筑房屋的内部温度；在冬季，将地下岩土中存储的热量输送到建筑中为房屋供暖[1]，[2]。但是，在实际工程应用中，建筑物夏季的冷负荷和冬季的热负荷很难达到平衡。特别是在严寒地区，建筑物夏季的冷负荷远小于冬季的热负荷，夏季向地下岩土存储的热量不能满足冬季热泵系统从地下岩土的取热量，热泵长期运行将会导致地下岩土的热平衡受到破坏，土壤温度将逐渐降低，热泵系统的能效比也会逐渐降低，尤其是单独使用土壤源热泵进行冬季供暖（不进行夏季制冷）的地区，这一问题将会更加严重[3]，[4]。

针对土壤源热泵系统长期运行导致地下岩土热平衡受到破坏的问题，学者们提出太阳能辅助地源热泵系统的运行方式，将太阳能作为土壤源热泵辅助热源，用太阳能的热量来补充建筑冷热负荷的不平衡，对土壤进行季节性蓄热，有效提高了地埋管周围土壤的温度，进而提高了供暖期地源热泵的供暖性能系数，使土壤源热泵系统运行得更加可靠[5]～[8]。在实际工程应用中，当地太阳能资源情况、气象条件、地理位置、太阳能系统的价格以及安装条件等多种因素制约着太阳能的利用，对于太阳能资源较少或不适宜安装太阳能系统的建筑，则不能应用太阳能辅助系统。

近年来，哈尔滨工业大学的孙海龙提出了一种适合于严寒地区的空气热源土壤蓄热系统，将夏季高温空气中的热量通过室外换热器和地埋管换热器储存到地下土壤中，补偿冬季供暖过程中所需的取热量，保证了土壤温度场的年平衡，实现了夏季热能的跨季节储存[9]。张姝提出了一种适合跨季节应用的空气源蓄热式土壤源热泵系统，该系统选取夏季高温空气替代太阳能作为辅助热源，利用室外空气换热器将夏季室外高温空气中的热量输送并存储至地下岩土中，冬季再由热泵从地下岩土中取热为建筑供暖[10]，[11]。李炳田提出了一种复合补热地源热泵系统方案，即基于分离式热管和蒸气压缩式热泵构建的地源热泵补热机组，在非采暖季节，利用其从室外空气中取热对土壤进行高效补热，解决土壤热平衡问题[12]。

与太阳能辅助系统相比，空气源蓄热设备结构简单，投资和维护费用较低。采用空气源蓄热方法代替太阳能蓄热也能实现自然能量的跨季节利用，尤其是在太阳能利用受到限制的地区更具有优势，为解决严寒地区应用土壤源热泵冷热不平衡问题提供了新途径。但是，室外空气换热器仅依靠室外风机盘管与空气进行简单换热，虽然空气温度较高便可蓄热，但蓄热效果低于太阳能蓄热。

基于上述问题，本文利用能源塔替代太阳能集热系统，在夏季利用土壤源热泵地埋管系统进行跨季节蓄热，解决在严寒地区，土壤源热泵冷热负荷不平衡造成的土壤温度过低的问题。

1 能源塔—地埋管复合源热泵系统跨季节蓄热

近年来，为适应我国华中、华东等地区夏热冬冷的气候条件，一种新型的热泵形式—能源塔热泵系统逐渐发展起来，该系统采用能源塔与空气进行换热。能源塔也称热源塔，源于冷却塔逆用吸热理论。能源塔由冷却塔改造制成，其外观为塔形，利用自然界的空气为冷、热源，通过塔体与空气进行热交换，从而实现供暖、制冷以及制取生活热水等多种功能的新设备[13]～[15]。

由于能源塔能够吸收空气中的低温热能，本文将能源塔与地埋管相耦合组成能源塔—地埋管复合源热泵系统。夏季，利用能源塔吸收空气中的热量，并通过地埋管换热器传递给土壤，为地下岩土的蓄热；冬季，土壤源热泵通过地埋管换热器将储存在地下岩土中的热量取出，为建筑物供暖，解决了寒冷地区冷热负荷不平衡造成的土壤温度过低的问题。

能源塔—地埋管复合源热泵系统示意图如图1所示。在夏季，关闭转换阀12，开启转换阀11。此时，能源塔和地埋管换热器14构成一个为土壤跨季节蓄热系统，以提升地下土壤的温度。能源塔利用工质吸收空气中的热量和空气中水蒸气的冷凝潜热，通过板式换热器10与地埋管换热器14进行换热，将热量传递给土壤实现蓄热。具体的蓄热过程为能源塔中的工质（水）在循环泵9的作用下进入能源塔上部，通过布水器3均匀喷撒在填料4的上部，变为水膜顺着填料4的表面下滑；电机1带动风扇叶片2旋转，产生上升气流，下落的水膜与上升气流进行换热，充分吸收空气中的显热和空气中水蒸气的冷凝潜热；而后水膜汇集到集水盘7中，经过水过滤器8过滤后，进入板式换热器10进行换热；换热后的水在循环泵9的作用下再次进入能源塔的上部，如此反复循环。在此过程中，地埋管换热器14中的工质（水），在循环泵13的作用下，沿循环管路进入板式换热器10，吸收热量后，再进入地埋管换热器14，将热量释放到土壤，从而为土壤蓄热。

图1 能源塔—地埋管复合源热泵系统示意图Fig.1 Schematic diagram of energy tower-buried pipe composite source heat pump system

在冬季采暖期，关闭转换阀11，开启转换阀12，工质（水）通过地埋管换热器14吸收土壤中的热量；然后，工质经过循环泵13进入热泵主机15，并在热泵主机15内放出热量；最后工质再进入地埋管换热装置14进行换热，如此反复循环，将储存在地下土壤中的热量取出升温后利用用户供暖末端17向建筑物供暖。

2 实验系统

为了研究能源塔—地埋管复合源热泵系统的蓄热效果，建立了一套实验系统。该实验系统由能源塔、板式换热器、整体式水源热泵机组、控制系统和数据采集系统组成。该实验系统采用一套整体式水源热泵机组代替土壤源热泵机组。整体式水源热泵机组通过板式换热器吸收能源塔热量，而后利用风机盘管向外放热，以此来模拟地埋管将热量储存到土壤。控制系统通过变频器调节热泵机组的功率来控制水源热泵机组的出水温度，模拟不同土壤温度条件下，地埋管系统的出水温度。该实验系统可以更好地模拟能源塔—地埋管复合源热泵系统，在不同土壤温度条件下的蓄热效果。实验系统中能源塔由循环水流量为3 t/h的冷却塔改造完成，循环泵功率为200 W，能源塔风机功率为35 W。在实验系统中，热泵机组进出口管路上安装了温度传感器和流量传感器，传感器的测量精度为0.2级。利用DELPHI编程语言建立了数据采集系统，可以实时显示并记录热泵机组进出口水流的温度和流量，并根据温度、流量数据实时计算并记录能源塔的蓄热功率。

3 实验数据及分析

本课题组于2018年夏季进行能源塔土壤蓄热实验。本文利用水源热泵机组出口温度代表相应的土壤温度，在水源热泵机组不同出口温度条件下对环境进行放热，以此来模拟相应土壤温度条件下能源塔—地埋管复合源热泵系统的蓄热效果。控制系统通过变频器控制水源热泵机组出口温度分别为9，10，12，14，16，18℃。图2为在水源热泵机组出口温度为9℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。由图2可知，在水源热泵机组出口温度为9℃的条件下，能源塔的蓄热功率与环境温度呈正相关。实验过程中，环境温度的最高值为35.7℃，此时能源塔的蓄热功率为9.34 kW；环境温度的最低值为28℃，此时能源塔的蓄热功率为8.45 kW；环境温度平均值为30.8℃，能源塔蓄热功率的平均值为8.94 kW。

图2 在水源热泵机组出口温度为9℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况Fig.2 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 9℃

图3为在水源热泵机组出口温度为10℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。

图3 在水源热泵机组出口温度为10℃条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况Fig.3 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 10℃

由图3可知，在水源热泵机组出口温度为10℃的条件下，能源塔蓄热功率的变化趋势和环境温度的变化趋势一致。在此阶段，环境温度的最高值为32.9℃，此时能源塔的蓄热功率为8.74 kW；环境温度的最低值为27.8℃，此时能源塔的蓄热功率为7.76 kW；环境温度的平均值为29.8℃，能源塔蓄热功率的平均值为8.33 kW。

图4为在水源热泵机组出口温度为12℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。

图4 在水源热泵机组出口温度为12℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况Fig.4 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 12℃

由图4可知，在水源热泵机组出口温度为12℃的条件下，实验过程中，环境温度的最高值为41.8℃，此时能源塔的蓄热功率为7.31 kW；环境温度的最低值为30.4℃，此时能源塔的蓄热功率为6.43 kW；环境温度的平均值为35.0℃，能源塔蓄热功率的平均值为6.77 kW。

图5为在水源热泵机组出口温度为14℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。由图5可知，在水源热泵机组出口温度为14℃的条件下，实验过程中，环境温度的最高值为37.3℃，此时能源塔的蓄热功率为6.92 kW；环境温度的最低值为29.9℃，此时能源塔的蓄热功率为6.12 kW；环境温度的平均值为33.2℃，能源塔蓄热功率的平均值为6.31 kW。

图5 在水源热泵机组出口温度为14℃的条件下，环境温度和能源塔随时间的变化情况Fig.5 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 14℃

图6为在水源热泵机组出口温度为16℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。由图可知，在水源热泵机组出口温度为16℃的条件下，实验过程中，环境温度的最高值为37.7℃，此时能源塔的蓄热功率为5.55 kW；环境温度的最低值为29.3℃，此时能源塔的蓄热功率为5.15 kW；环境温度的平均值为33.2℃，能源塔蓄热功率的平均值为5.40 kW。

图6 水源热泵机组出口温度为16℃条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况Fig.6 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 16℃

图7为在水源热泵机组出口温度为18℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况。由图可知，在水源热泵机组出口温度为18℃的条件下，实验过程中，环境温度的最高值为37.7℃，此时能源塔的蓄热功率为4.49 kW；环境温度的最低值为28.8℃，此时能源塔的蓄热功率为3.93 kW；环境温度的平均值为32.3℃，能源塔蓄热功率的平均值为4.16 kW。

图7 在水源热泵机组出口温度为18℃的条件下，环境温度和能源塔蓄热功率随时间的变化情况Fig.7 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 18℃

由图2～7可以看出，能源塔的蓄热功率受到环境温度的影响较大，能源塔的蓄热功率与环境温度呈正相关，这是由于环境温度越高，能源塔在空气中的吸热量越多，导致能源塔的蓄热功率也就越大。

另外，能源塔的蓄热功率还会受到地下土壤温度的影响，水源热泵机组出水温度代表着相应的土壤温度，在水源热泵机组出口温度分别为9，10，12，14，16，18℃的条件下，能源塔蓄热功率的平均值分别为8.94，8.33，6.77，6.31，5.40，4.16 kW，能源塔的蓄热功率随着水源热泵机组出口温度的升高而进一步减小。在水源热泵机组出口温度为9℃的条件下，能源塔的蓄热功率是水源热泵机组出口温度为18℃时，能源塔蓄热功率的2倍以上，这表明土壤温度越低，能源塔的蓄热功率越高，能源塔向土壤蓄热的效果越好。这是由于土壤温度较低时，土壤与环境之间的温度差较大，因此土壤蓄热量较大，导致能源塔的蓄热功率也有所提高。

实验结果表明，严寒地区土壤源热泵冷热负荷不平衡会造成土壤温度过低。在此条件下，夏季利用能源塔向土壤补热，由于环境温度较高，土壤温度较低，导致能源塔的蓄热功率较高，因此能源塔向土壤蓄热的效果较好。