被动式冷却塔补热系统在贵州夏凉冬冷地区的运用与探讨

罗登云

摘要：随着国家对浅层地热能开发利用越来越重视，地埋管式地源热泵在各个地区均得到了广泛的运用，但系统在开发过程中尤其是在夏凉冬冷地区的运用中存在冷堆积问题，而被动式冷却塔补热系统，通过空气与水的热湿交换使水温升高，并将热量带回地下，以较小的能量消耗实现向地下土壤补热的目的。值得大力推广。

关键词：地源热泵，冷堆积，冷却塔、补热系统。

前言：就解决地源热泵系统冷堆积问题。目前行业内的方法有多种，如采用燃气锅炉、风冷热泵，太阳能、冷却塔与系统进行复合，对地埋系统进行补热。其中冷却塔被动式补热系统因所需要的能耗少，总体造价较低。综合性价比高，因此本项目选择此系统进行补热设计。

项目基本情况介绍

项目位于贵州省西部城市六盘水市，项目类型为居民住宅小区，包括24栋住宅楼、1栋社区服务中心及1栋幼儿园，共计26栋建筑，总建筑面积67412.74平方米，暖通面积为50049平方米;制热总负荷为4950KW，制冷总负荷为4734KW;夏季室外干球温度9.3℃，冬季室外干球温度1.4℃;项目采用土壤源热泵系统技术为建筑物提供热源。根据前期热物性测试计划出地下土壤初始温度为14.5℃。

由于项目楼宇较多，整个项目分设系统A和系统B两个系统，共设置地埋换热井840口，分布于项目的绿化带地下，换热井直径150mm，井深120-130m，换热井内采用管径为De32的PE双U型地源热泵专用管材。地埋井通过所在区域的二级集水器汇集，再输送至机房内的一级集水器，系统A和系统B分别通过3台卧式离心水泵（两用一备）形成闭合循环回路，地源热泵机房设置在园区内的专门地下室机房，系统A和B分别设置3台螺杆式热泵机组，共计6台，单台额定制冷量、制热量分别为1287.3kW和1339.8kW。室内系统采用一次泵变流量形式，循环水泵采用变频卧式离心水泵。

项目取热及排热情况分析

在考慮全负荷运转情况下，根据当地地理及气候情况，项目冬季供暖考虑120天，住宅楼每日供暖时间段为下午17：00—次日上午9：00，共计供暖时长为16小时，夏季制冷60天，每日供冷时间段为上午8：00—下午18：00，共计10小时，通过使用GLD地源热泵计算软件进行模拟，系统冬季年总取热量9504000KWH，系统年总排热量2840400KWH，由此推算可得系统每年需向地下取热6663600KWH。根据热平衡原理，若地下热量得不到有效补充，势必会造成埋管区域地下温度大幅降低，进而影响系统的运行能效，严重的将导致系统瘫痪。

被动式冷却塔补热系统的设计

为保证系统的正常运行，同时节约项目投资成本，本项目在设计时，进行了充分的比选，最终考虑了经济合理的冷却塔设备作为补热系统，利用冷却塔水循环进行系统的补热，从而保证系统供热的稳定性。

冷却塔作为传统散热设备，通常项目是将高温热水中的热量散发到空气中，运行时循环水温要比空气湿球温度低2℃—3℃，结合地区夏季气候情况，冷却塔运行时气温≥20℃，地埋管供水温度为14.5℃，结合当地室外气温的变化考虑3℃的温差。冷却塔地埋侧的进出水温度为14.5℃/17.5℃。

按照3℃温差计算，若要满足补充6663600KWH热量，冷却塔需要选用流量在1000—1200m³/h，才能满足补热需求，因此项目选择了4台流量300m³/h冷却塔，安装在住宅楼顶，参数及设计图纸详见下图。

补热系统效果测试

项目于2019年6月竣工，同年冬季投入使用，使用时长为138天，冬季制热运行完后，根据本系统安装的监测系统反馈数据，地下温度由系统建成时的初始温度14.5℃降至冬季制热完成后的14.0℃。在未开机制冷前，对补热系统进行了测试。首先调节相应的阀门开启与关闭，开启地源侧水泵1台，开启4台补热用冷却塔，冷却塔自动运行，测试计划累计运行240h，耗电量（5*4+80）*240=2400KWH，累计补热63408KWH，测试结束后，通过监测系统数据反馈，埋管区域地温恢复到14.2℃。证明了补热的效果十分显著。

结论

本项目通过使用冷却塔被动式补热系统，保障了地源热泵系统后期的正常稳定运行，对延长系统的使用寿命起到了至关重要的作用。其次解决了系统的冷堆积问题，对于贵州西部六盘水、毕节等夏凉冬冷地区地源热泵的运用起到了十分重要的保障。解决了本地区地源热泵发展的技术难题，同时也证明了被动式冷却塔补热系统的现实可行性，为今后类似项目的推广运用提供了切实依据。

参考文献：（1）游田，吴伟等，复合补热地源热泵系统设计方法研究与运用，暖通设计，2015，（5）：34-38.

花莉，范蕊等，复合式地源热泵系统的回顾与发展，制冷与空调，四川，2011，25（5）：518-525.

GB50366-2005（2009版）地源热泵系统工程技术规范，2005