采用热回收方式解决土壤热平衡问题的工程实例及分析.doc

采取热回收方法处理土壤热平衡问题
工程实例及分析
武汉科技大学 姚远 符永正
摘要: 结合工程实例对地埋管地源热泵技术应用中土壤热平衡问题进行了分析, 并介绍了现在常见多个处理该问题技术方法, 针对采取热回收生产卫生热水作为部分辅助冷源方法, 进行了工程实例计算和分析。
关键词: 地埋管地源热泵 土壤热平衡 多出热量回收利用
1 序言
地埋管地源热泵系统现在在中国已得到较多应用, 在应用中也碰到了部分问题, 其中土壤热平衡问题尤为突出。当地埋管地源热泵系统冬夏兼用时, 在北方地域建筑热负荷大于冷负荷, 所以系统冬天从土壤中提取热量比夏季向土壤中排放热量大, 而南方地域则相反, 于是就会造成土壤得失热量不平衡。长久如此, 地下土壤平均温度会下降或上升,尤其是在地埋管管群集中中心区域,系统与土壤换热能力将不停下降, 造成系统能效下降。本文在介绍常见热平衡方法基础上, 关键对采取热回收方法, 针对一个工程实例进行计算和分析。
2 处理地源热泵系统热平衡问题方法
土壤热平衡问题是地埋管地源热泵系统设计与应用中需要处理首要问题, 现在已经有不少方法应用在实际工程中, 并取得了不错效果, 比如在系统中加入辅助冷热源、 间歇式控制等方法。其中使用较为广泛方法就是采取混合式地源热泵系统。混合式地源热泵即地埋管换热系统与辅助散热设备或辅助热源混合使用热泵系统, 分为室内换热系统和室外换热系统两大部分[1]。
2.1 冷却塔-地埋管地源热泵
在南方地域, 建筑负荷特点通常是夏季冷负荷大于冬季热负荷, 所以土壤热平衡问题是表现在土壤热量堆积上。在此种负荷特点下, 设计中地埋管热容量是以建筑物热负荷作为设计基础, 夏季供冷时采取辅助散热设备散去室内多出热量。
冷却塔是混合式地源热泵系统最常见散热设备, 在大部分工程设计中, 通常是依据建筑整年累计总负荷计算热量得失, 由系统对土壤取热量与散热量之差计算冷却塔循环水量从而选择冷却塔型号, 在控制冷却塔时则固定时间启停。但因为建筑负荷与周围环境息息相关且负荷改变是一个动态过程, 所以不应该单纯以此法选择和控制冷却塔。在文件2】中提出了比较合理冷却塔选型和控制方法, 即由土壤在热泵制冷工况运行下平均进水温度（依据经验数据或模拟计算得出）计算出冷却塔容量大小平衡点T, 查询当地整年逐时室外干湿球温度数据得出当室外湿球温度为T时室外干球温度平均值, 进而求得在此室外条件下建筑冷负荷Qc, 再依据热泵机组EER值计算出机组放热量Qf, 由此选择冷却塔。此法在选型计算中与建筑所在地域气候特点和建筑负荷特点都紧密联络起来, 所以所得结果符合工程实际情况。而冷却塔启停控制方法是依据机组出水温度来判定是否需要冷却塔辅助, 且当所选冷却塔出水温度小于土壤在热泵制冷工况运行下平均进水温度时启用冷却塔（所以时在流量相同情况下, 使用冷却塔比使用埋管更有利于提升机组运行效率）。
采取冷却塔—地埋管地源热泵系统能够很好处理土壤热平衡问题, 而合理选择和控制冷却塔, 能够降低部分埋井数量, 节省室外地埋管换热器安装面积, 同时初投资也会对应降低。如图所表示为冷却塔—地埋管地源热泵系统原理图。
图1 冷却塔－土壤源热泵系统原理图

1冷却塔; 2 、 4水泵; 3埋地盘管; 5换热器; 6冷凝器; 7膨胀阀; 8蒸发器; 9回热器; 10压缩机; 11风机盘管

2.2 太阳能-地埋管地源热泵
在严寒地域, 建筑冬季供热负荷要大于夏季供冷负荷, 造成热泵冬季从地下土壤吸收热量大于夏季向土壤排放热量, 造成土壤温度逐步降低, 致使系统供热量下降, 耗功率上升, 供热系数降低。据统计, 通常情况下土壤温度每降低1℃, 会使制取一样热量能耗增加3%~4%【3】。所以, 为了确保热泵系统能够长久、 正常运行, 并充足表现其节能性, 需要在系统中加入辅助加热设备, 以处理在严寒地域应用地埋管地源热泵所面临土壤热平衡问题。太阳能集热器是最常见辅助加热设备, 系统可经过阀门控制来实现太阳能直接供暖, 太阳能与热泵联合供暖, 地源热泵供暖及太阳能集热器集热土壤蓄热运行步骤等。冬季采暖时, 以太阳能及土壤中夏季蓄存部分热量作为低位热源直接或间接经过热泵提升后供给采暖用户, 同时, 在土壤蓄存部分冷量以备夏季空调用夏季与过渡季节, 太阳能集热器关键用于提供生活用热水。如图所表示为太阳能—地埋管地源热泵系统原理图。

图2 太阳能－土壤源热泵系统原理图
1集热器; 2贮热水槽; 3、 5水泵; 4埋地盘管; 6换热器; 7蒸发器; 8压缩机; 9冷凝器; 10回热器; 11膨胀阀; 12风机盘管

2.3 地源热泵间歇式运行
尽管地埋管地源热泵系统连续使用会使土壤温度发生单向改变, 但土壤温度场有着可恢复特点, 而且在建筑环境中供热供冷系统机组运行含有间断性, 所以有些人提出了地源热泵间歇式运行。经过人为合理控制热泵机组间歇运行, 能够强化传热过程, 提升热泵机组使用效率, 很好处理土壤热平衡问题。而且如能充足利用这种间歇性填补地下传热缓慢不足, 就能实现充足换热, 最大程度降低地埋管钻孔数, 降低工程初投资。
中国已经有不少地源热泵间歇式运行试验, 提出了部分合理启停控制方案。比如大连理工曾做冬季工况二十四小时间歇运行试验【4, 5】, 得出以二十四小时为一个周期, 控制机组启停时间为 1: 1和2: 5时土壤温度场恢复效果分析。机组具体运行情况为: 机组运行5小时后停机, 埋管管壁温度经过5小时温度恢复到与初始状态相差0.2ºC, 机组继续运行4小时后停止运行, 管壁温度经过10小时恢复到初始温度, 为下一循环开机运行提供很好换热条件。以此方法运行, 在满足用户负荷需求基础上, 热泵进出口水温稳定在一个较高温度, 使机组基础处于理想工况下运行, 且地下换热量与连续运行相比提升了5%。
2.4 回收利用多出热量制造生活热水
在夏季冷负荷大于冬季热负荷地域, 对于地源热泵系统土壤热量得失不平衡问题, 用冷却塔将系统多出热量散发至空气中是较常见方法, 但从能源使用方面讲是浪费了这部分热能, 若合理利用这部分热量, 将是节省能源一个有效方法。
在该种负荷条件下, 系统夏季向土壤释放热量大于冬季从土壤中取出热量, 要利用起这部分能量, 应从建筑能源需求其她方面考虑。现在建筑生活热水通常是整年供给, 已经有部分工程将系统多出热量回收用于制造生活热水, 不仅避免了这部分能量浪费, 还节省了部分制造生活热水所需一次能源。下面以武汉某工程为例分析这种方法使用情况和效果。
3 采取热回收方法工程实例及分析
此工程是一座集办公、 试验、 对外接待节能型办公大楼。总建筑面积为27242㎡ 其中: 试验室8862 ㎡ , 单身公寓: 1080 ㎡, 办公: 17300 ㎡（含地下室）。地下一层为车库及设备用房, 一层至四层为试验室用房及单身公寓、 餐厅; 五至十九层为办公用房, 其中九层为计算机用房。主楼一至四层试验室及五至十九层办公楼（21000㎡）拟采取地埋管地源热泵系统作为建筑物冷热源及提供单身公寓卫生热水。而单身公寓、 附楼试验室（6242㎡）拟采取VRV空调制冷及供暖。工程空调系统原理图见图3.

图3 地源热泵系统原理图
注: 1.制冷工况: 阀门1、 2、 7、 8开, 阀门3、 4、 5、 6关。
2.制热工况: 阀门3、 4、 5、 6开, 阀门1、 2、 7、 8关。
3.土壤温度数据采集系统: 埋管区域共设置9个地点, 每个地点垂直方向设置9个土壤温度传感器。
在该工程中, 三台热泵机组热回收热量负担制造卫生热水所需热量。地源热泵机组在夏季运行时, 机组蒸发器制冷对建筑提供冷量, 同时冷凝器向系统外释热, 利用蓄热水箱或其她蓄热装置回收该部分冷凝热, 并制造热水, 夏季可由部分热回收机组为用户二十四小时无偿提供45/50℃卫生热水; 过渡季节及冬季用全热回收地源热泵机组提供50/55℃卫生热水; 强化了冷凝器换热效果, 提升了机组运行COP值。
3.1 建筑物空调负荷
本工程采取DEST--C软件模拟计算后得到该建筑空调负荷以下: 夏季空调逐时冷负荷综合最大值为主楼1830KW, 单身公寓、 附楼试验室895KW; 冬季空调总热负荷为主楼1300KW, 单身公寓、 附楼试验室360KW; 整年空调系统动态冷负荷总值为630000KWH（6月1日~9月30日; 整年空调系统热负荷总值为240000KWH（12月15日~3月15日）。
3.2 地埋管地源热泵系统散热量及取热量
经工程前期地埋管换热测试试验, 并计算和分析所得数据, 得出系统在试验期内（数据采集11天）总散热量和总取热量。系统散热量及取热量大小除与土壤热物性参数相关外, 也与土壤温度及地埋管内循环水温度亲密相关, 所以试验采取边界水温、 多个正常水温工况进行测试, 然后对其结果进行分析, 得出在适合地源热泵空调机组运行水温工况下最大散热量及取热量。下表是井埋管散热试验在不一样进出口水温下进行试验所得结果, 其循环水在井埋管中进出口温差和传热量是由U型PE管换热器和水平连接管共同作用结果【6】。
表1: 散热试验结果和取热试验结果

①号井
②号井
散热试验
进水温度
回水温度
流量
总传热量
进水温度
回水温度
流量
总传热量
[℃]
[℃]
[m3/h]
[kW]
[℃]
[℃]
[m3/h]
[kW]
35.35
31.8
0.81
4.97
35.35
32.4
0.79
4.85
取热试验
进水温度
回水温度
流量
总传热量
进水温度
回水温度
流量
总传热量
[℃]
[℃]
[m3/h]
[kW]
[℃]
[℃]
[m3/h]
[kW]
9.2
11.9
0.81
2.936
9.2
11.5
0.79
2.86
注: 试验中流量与管内流速对应关系为: ①井流量0.81m3/h对应于管外径25mm管内流速0.69m/s（Re=17250）, ②井流量0.79m3/h对应于管内流速0.67m/s(Re=16750)。考虑到设备异地测试, 运输及安装过程中对精度影响, 依据回试验室矫正, 进出口偏差温度矫正系数0.15, 因回填材料温度于土壤原始温度不吻合、 施工中存在客观原因（依据施工日志记载）修正系数: 1.22。
3.3 卫生热水设计
依据招标文件要求和空调初设方案确定部分卫生热水设计参数。冷水计算温度为5℃。卫生热水使用温度为55℃, 整年热水用量4t/h, 最高日热水用量为11.6/d, 最大小时热水用量为2.4/d。热水系统采取上行下给式机械循环系统, 试验室卫生热水箱20, 单身公寓卫生热水箱10, 分别设置于屋面。生活热水小时耗热量计算公式以下:
公式（2.2）
式中: ——设计小时耗热量（w）;
——设计小时热水量（kg/h）;
——设计热水温度（℃）, 55℃;
——设计冷水温度（℃）, 5℃;
——热水密度（kg/L）,依据热水密度表查适当热水温度为55℃时, 。
则生活热水小时耗热量为:

即: 生活热水小时耗热量约为230KW, 热水量为4t/h, 热水温度为55℃。
3.4 结果分析
由试验结果可得单井埋管传热能力, 进而计算地埋管单位井深放热量: 夏季工况下, 在地埋管进口温度35.35℃, 出口温度31.8℃, 钻孔深度80M时, 单位井深放热量为61.5W/m;
冬季工况下, 在地埋管进口温度5.3℃, 出口温度9.55℃, 钻孔深度80M时, 单位井深取热量为49.1W/m。结合工程地质勘察及钻孔经济分析, 可算得最好钻孔深度为80米。
武汉属于夏季冷负荷大于冬季热负荷地域, 所以本工程应按冬季热负荷1300KW进行埋管, 系统形式采取热回收混合式地源热泵空调系统作为建筑物冷热源及提供单身公寓卫生热水。对于土壤热平衡问题, 采取冷却塔及热回收型地源热泵机组整年提供单身公寓卫生热水作为辅助冷却源方法, 使整年土壤达成热平衡。
冷却塔运行策略以下: 1） 当地源热泵机组出水温度大于38℃时,开启冷却塔, 小于36.7℃时,关闭冷却塔; 2）当空调系统第二个夏季运行前一个月,土壤温度传感器检测平均温度高于空调系统第一个夏季运行前检测平均温度时, 开启冷却塔、 冷却水泵、 地源侧冷水泵对土壤进行降温, 直至使土壤达成常年正常温度为止。
依据计算, 主楼整年空调系统动态冷负荷总值为630000KWh（6月~9月）, 主楼整年空调系统热负荷总值为240000KWh（12月~3月）。地埋管整年从土壤总吸热量为180000KWh, 夏季热回收型地源热泵机组总冷凝负荷为787000KWh, 整年约有607000KWh冷凝热负荷属多出热量, 其中在满足单身公寓卫生热水需求热量外, 其它部分经过冷却塔排入大气。空调系统以此方法运行, 在避免了土壤得失热量失衡同时, 降低了地埋管管井数量, 降低了初投资, 并节省了生活热水所需一次能源。工程在投入使用后, 系统运行稳定, 节能效果显著。
参考文件
[1] 赵军, 戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].中国建筑工业出版社,
[2] 王彬.冷却塔—土壤源混合式热泵应用研究[D].华中科技大学, 硕士学位论文.:15-19
[4] 徐秋敏.U型垂直埋管式地源热泵地下传热特征试验研究[D].大连理工大学, 硕士学位论文.: 50-64
[5] 范萍萍, 端木琳, 舒海文.土壤源热泵间歇运行冬季工况试验研究[D], 大连理工大学, 硕士学位论文.
[6] 张银安, 李斌.垂直U型地埋管换热系数测试与分析[J].湖北省暖通空调制冷及热能动力学术年会,
[7] 马最良, 吕悦, 地源热泵系统设计与应用[M], 机械工业出版社,
[8] 袁旭东, 王彬, 吴伯谦混合式土壤源热泵应用分析[J].制冷与空调, , 第6卷, 第1期: 40-43