機械工程師評職范文某土壤源熱泵系統問題分析

　　摘要：針對包頭市某地源熱泵系統冬季運行狀況較差的問題，通過對系統評價分析，排除地埋管損毀因素之外，結果表明該系統出現冷堆積現象。針對此問題提出了地源熱泵系統的熱平衡解決方案。

　　關鍵詞：土壤源熱泵,熱平衡,實例分析,解決方案

　　0 引言

　　土壤源熱泵是一種利用地下土壤作為熱泵低位熱源，通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現熱量從低溫位向高溫位轉移的熱泵系統[1]。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內采暖;夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。在能源短缺的今天，利用淺層地溫能這一清潔可再生的新能源改善環境污染狀況日益受到國家和地方政府的重視，近年來相繼出臺了一系列支持鼓勵政策和管理法規，各地政府還財政補貼淺層地溫能的開發利用[2]。

　　但是在實際工程中往往因建筑冷熱負荷需求量不等，在一個冷熱周期內，土壤源熱泵系統從土壤中置換的冷熱量也不等。土壤中多儲存的冷熱量會導致土壤的冷熱堆積。隨著地源熱泵系統連續、長期的運行，如果從地下過多地取熱，勢必因熱量累積效應，造成土壤溫度場得不到有效恢復[3]。

　　在本文中將結合實際工程，對使用一定年限后的土壤源熱泵系統出現的冷堆積現象而導致的冬季運行狀況較差的問題進行探究，提出相應的解決方案，對在設計時采取措施避免或盡量減緩因冷熱堆積導致系統運行狀況差的問題。

　　1 項目簡介

　　本項目位于包頭市，總建筑面積21350㎡，該建筑為辦公使用，建筑樓層為地上三層，屋面高度為43.8米，共10層。由設計院提供數據可知，冬季熱負荷為2080KW，熱負荷指標為97.4W/㎡;夏季空調冷負荷為1660KW，冷負荷指標為77.8W/㎡。

　　制冷機房內設置了2臺地源熱泵機組，單機制冷制為880kW，輸入功率為188kW，單機制熱制為1075kW，輸入功率為258kW。地源側配置3臺循環水泵(兩用一備)，額定流量和揚程分別為120 m3/h和38m，額定輸入功率為55kW;用戶側配置3臺循環水泵(兩用一備)，額定流量和揚程分別為200 m3/h和32m，額定輸入功率為55kW。

　　原設計垂直埋管換熱單元420個，鉆孔孔徑為200~250mm、深100米，間距4.5-5m,采用原漿回填。換熱管采用外徑為De32的高密度聚乙烯管，單U形布置。

　　2 地埋管熱平衡計算

　　2.1 地埋管換熱器數量核算

　　冬夏季節地埋管換熱器的換熱量可以分別由下述公式計算：

　　其中 Q1’——夏季向土壤排放的熱量(kW);

　　Q1——夏季設計總冷負荷(kW);

　　Q2’——冬季從土壤吸收的熱量(kW);

　　Q2——冬季設計總熱負荷(kW);

　　EER——設計工況下水源熱泵機組的能效比;

　　COP——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數。

　　考慮到該工程以制熱為主，地埋管換熱器數量的計算以冬季最不利情況下所需換熱量確定。冬季從土壤吸收的熱量計算如下：Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW;

　　根據項目前期勘查測試結果計算冬季最不利情況下所需地埋管換熱器長度計算如下：L=1581.2 kW÷38.5W/m=41070m;單U形布置，單孔換熱器深100m，則所需地埋管換熱器為411空。通過上述核算表明原設計地埋管數量滿足使用要求。

　　2.2 地埋管熱平衡核算

　　在供冷季節，輸入系統的所有能量都必須釋放到地下，這些能量包括系統熱負荷、系統耗功量和地熱換熱器循環泵的耗功量。循環泵耗功量可近似為泵的耗功量與熱泵運行小時數的乘積。在供熱季節，從地下吸收的熱量等于設備的制熱量減去輸入的電功，輸入的熱量包括壓縮機耗功量和地熱換熱器循環泵的耗功量[4]。則夏季制冷總放熱量Q1’=1660kW×(1+1÷4.68)=2014.7kW;冬季制熱總吸熱量Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW。

　　根據業主實際使用情況得知該系統夏季總共運行90天，每天8小時，冬季總共運行150天，每天8小時，則夏季制冷總放熱量計算如下：Qf=2014.7kW×90×8×3600=5.22×1012J;冬季制熱總吸熱量計算如下：Qs=1581.2kW×150×8×3600=6.83×1012J。由此計算出系統冷熱不平衡率高達30.8%，據地源熱泵相關文獻資料規定，土壤源熱泵系統冬夏冷熱不平衡率不應大于15%，該土壤源熱泵系統出現嚴重不平衡現象，且無其他輔助加熱系統，使用一定年限后的土壤源熱泵系統出現的冷堆積現象而導致的冬季運行狀況較差。

　　3 熱平衡解決方案

　　3.1熱平衡解決方案的選擇

　　由于該土壤源熱泵系統全年向土壤的放熱量小于吸熱量，使用一定年限后的土壤源熱泵系統出現的冷堆積現象而導致的冬季運行狀況較差。當進水溫度過低導致熱泵機組蒸發器出水溫度低于4℃時，機組就會因蒸發溫度過低而自動停機保護[5]。針對熱泵系統出現的冷堆積現象，本項目采用太陽能集熱系統作為補充熱源，將系統冷、熱不平衡率控制在可接受的范圍內，以保障系統的長期有效運行，詳見圖3-1。

　　當集熱器溫度T1與空調用板式換熱器溫度T2溫差≥10℃時，介質循環泵P1啟動，將集熱器中熱介質與空調用板式換熱器中的冷介質換熱;當兩者溫差≤4℃時，循環泵P1停止;當集熱器溫度T1>95℃，且集熱水箱溫度T3>85℃時，介質循環泵P1不啟動，集熱循環管道中的介質受熱膨脹，膨脹量擠向膨脹罐中;當集熱循環管道內的壓力大于安全泄壓閥設定壓力時，安全閥自動打開，排出膨脹多余的介質;

　　冬季運行：V1、V2、V3、V4開啟，同時關閉生活熱水板式換熱器，打開空調熱水板式換熱器，太陽能系統與空調系統同時運行。夏季運行：V3、V4關閉，V1、V2開啟，同時打開生活熱水板式換熱器，關閉生活熱水板式換熱器。過渡季節蓄熱運行：V3、V4開啟，V1、V2關閉，空調系統不運行，太陽能系統向土壤側蓄熱運行。

　　3.2太陽能集熱器面積計算

　　太陽能集熱器面積計算公式[6]:

　　其中Ac——集熱器總面積㎡;

　　Q——日平均供熱負荷(W);

　　f——太陽能保證率，90%取值(大面積安裝);

　　J——日平均太陽輻照量J/㎡;

　　η1——集熱器熱效率，40%取值;

　　η2——管路及熱水箱熱損失率，15%取值。

　　根據不平衡計算得知每年地下的冷堆積熱量是1.61×1012J，解決每年地下的冷堆積熱量依靠每年冬季和過渡季節，主要是每年10月份到次年5月份，總計275天，日平均需熱量是67761 W，在此期間包頭市區總輻射是3879MJ/㎡[7]，日平均太陽輻照量是14105454J/㎡，則集熱器面積Ac=86400×67761W×90%÷17534246 J/㎡÷40%÷(1-15%)=884㎡。

　　3.2 太陽能集熱器的安裝

　　本項目現有頂層屋面的建筑面積為1552㎡，實際可放置太陽能板的面積1200㎡左右，所以可將所有太陽能集熱器統一安裝在現有頂層面，見圖3-2。考慮到內蒙包頭的天氣因素，采用熱管式真空管太陽能集熱器，比平板型集熱器蓄熱能力高，并且在下雪時要優于平板型。太陽能集熱器最佳傾斜角度的確定，應根據使用周期內收集的太陽能最多為原則，本工程實際安裝角度為40°。

　　4 結論與建議

　　以供暖為主的中國北方寒冷地區土壤源熱泵系統，運行一定年限后會由于冷熱不平衡造成冷堆積現象，造成室內滿足不了空調要求，為了避免冷堆積現象的發生，一定要進行系統熱平衡計算，不平衡時需要采取輔助的熱平衡方案。由于中國北方寒冷地區的太陽能資源非常豐富，建議在熱平衡方案選擇時優先考慮太陽能系統作為熱平衡輔助系統，同時可以解決部分生活熱水的需求。

　　參考文獻：

　　[1] 黃奕沄,張玲,陳光明.地源熱泵研究與應用現狀[J]. 制冷空調與電力機,2003,24(1):6-10

　　[2] 王貴玲,文靜,張薇.我國主要城市淺層地溫能利用潛力評價[J].建筑科學,2012,28(10):1-8

　　[3] 魏俊輝.利用太陽能解決地源熱泵冷堆積問題初探[J].樓宇自動化,2012,(10):59-63

　　[4] 毛會敏.土壤源熱泵空調系統的設計與經濟性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007:21

　　[5] 施全彬.淺談地埋管熱泵系統的熱平衡解決方案[J].機電信息,2012,(21):44

　　[6] 何梓年,朱敦智.太陽能供熱采暖應用技術手冊[M].北京:化學工業出版社, 2009, 5

　　[7] 夏雪蓮,蘇日娜.包頭市太陽能資源及其開發利用前景分析[J].內蒙古農業科技,2011,(5):81-82