太阳能-土壤源热泵

2024-09-03

太阳能-土壤源热泵（精选九篇）

太阳能-土壤源热泵篇1

本文在变工况条件下对太阳能土壤源热泵系统进行模拟研究,充分考虑建筑负荷变化和太阳辐射强度变化对系统对供热性能的影响。数学模型的建立采用变热流的圆柱源理论模型和线源理论模型,孔壁与管外壁之间的热阻运用通过边界元法求解。

1 太阳能土壤源热泵系统

系统原理如图1 所示,主要由热泵机组、太阳能集热器、U型地埋管换热器、室内散热器等组成。供热时集热器、地埋管换热器和热泵联合运行,在消耗部分电能的基础上,将太阳能和土壤能转化为高品位能,对房间进行供热。

2 数学模型

2. 1 集热器数学模型

太阳能集热器的瞬时效率为

令

太阳能集热器的瞬时效率函数为

式( 1) 和式( 3) 联立可求得太阳能集热器的有用收益Qu。

集热器出口流体温度的计算式为

式中Ac———集热器的采光面积/m2;

Ic———集热器接收的太阳总辐射率/W·m- 2;

Tfi———流体进口温度/℃;

Ta———环境气温/℃;

C,D———瞬时效率曲线系数;

Tfo———集热器出口流体温度/℃;

ml———集热流体的质量流量/kg·s-1;

cl———集热流体的比热/J·kg-1·℃-1。

2.2换热器数学模型[11]

应用变热流圆柱源理论模型,由叠加原理可以得到n时刻孔壁温度Ts( rb,τn) 与土壤初始温度Tg的差值为

式中 λs———土壤导热系数/W·m- 1·℃- 1;

q———传热量/W;

L———孔深/m;

F0———Fourier数。

对于多埋管情况,因为各管间距较大,所以不同埋管之间的相互影响可用变热流线热源理论进行计算。假设有n个埋管,第i个埋管孔壁温度响应为

式中Ti( rb,τ) ———τ 时刻第i个埋管的孔壁温度/℃;

Tg———土壤初温/℃;

ΔTs - L( rdij,τ) ———其它埋管对孔壁的温度响应/℃;

ΔTs - C( rb,τ) ———第i根埋管自身对孔壁的温度响应/℃。

在 Δt时间内,假设系统处于稳定运行状态,有能量守恒得

将式( 8) 、( 9) 、( 10) 代入式( 7) 得

流体与孔壁之间传热系数Kbf的表达式为

式中 ΔQf———流体热能变化量/J;

ΔQ1———机组吸热量/J;

ΔQb———孔壁与流体之间的换热量/J;

c1f———流体比热容/J·kg-1·℃-1;

ρ1f———流体密度/kg·m-3;

T1ci,T1 co———蒸发器进、出口温度/℃;

V1f———体积流量/m3·s-1;

Tf———流体平均温度/℃;

———孔壁温度/℃;

Rb———管外壁与孔壁之间的热阻;

AU-out———管外表面面积;

Ab———孔壁表面积;

rU - in、rU - out———管内、外半径;

λU———管导热系数/W·m- 1·℃- 1;

hf———管内流体的表面传热系数/W·m- 2·℃- 1。

2. 3 室内散热器数学模型

根据能量守恒定律,载热流体与室温的温差为

热负荷为

式中Q2———热负荷/W;

ki———传热系数/W·℃- 1;

T2ci———冷凝器端流体进口温度/℃;

T2co———冷凝器端流体出口温度/℃;

Tn———室内设计温度/℃;

ρ2f———蒸发器端流体密度/kg·m- 3;

c2f———蒸发器端流体比热容/J·kg-1·℃-1;

V2f———体积流量/m3·s-1。

机组冷凝器端流体出口温度T2co可通过式( 13)和式( 14) 计算得到。

2. 4 机组数学模型

机组制热性能系数可由蒸发器侧流体进、出口温度的函数近似得到

机组耗电量

根据能量守恒定律得

Q1是从土壤中得到的热量,可表示为

由式( 17) 和式( 18) 得

式中 η0———机组制热性能系数;

Q2———制热量/W;

ρ1f———蒸发器端流体密度/kg·m- 3;

c2———蒸发器端流体比热容/J·kg-1·℃-1;

V2f———体积流量/m3·s-1。

3 模拟结果及分析

模拟时建筑热负荷和太阳辐射强度均采用逐时值输入,设定室温20℃,蒸发器侧进、出口温差4℃,冷凝器侧进、出口温差5℃。钻孔数8 个,孔径200 mm,孔距5 m。

系统模拟参数见表1 和表2。

变工况下系统的模拟结果如图2 ~ 图5 所示。

由图2 可以看出,当太阳能集热器开始运行时候,钻孔壁面、蒸发器进口的温度均呈上升趋势,中午时太阳能集热量最大,此时机组蒸发器进口温度高于钻孔壁面温度。

由图3 可以看出,当有太阳能可以利用时,地埋管换热器的换热量减少,太阳能的辐射强度越高,地埋管换热器与土壤之间的换热量越少。

由图4 可以看出,冷凝器出水温度随热负荷的变化而变化,负荷越大出水温度越高,机组COP值随冷凝器出水温度的升高而减小,太阳能辐射强度大时机组COP值较高。

由图5 可以看出,太阳能集热器效率和太阳辐射强度的变化趋势一致,并受环境温度的影响。模拟期间,集热器平均效率为0. 52,最高可达0. 61。

4 结论

( 1) 太阳能集热器工作时,孔壁温度和集热器出口温度明显提高,地埋管换热器单位孔深换热量降低。

( 2) 太阳能集热器平均效率可达0. 52,利用率较高。

( 3) 在变工况条件下,机组平均COP值可达4. 36,效率较高,适合在寒冷地区应用。

摘要：为研究太阳能土壤源热泵在变工况条件下的供热性能,在充分考虑寒冷地区的太阳辐射强度和热负荷变化特点的基础上,建立系统各部分的数学模型,并编程进行模拟研究。埋管的传热模型应用变热流的圆柱源理论模型和线源理论模型,管外径和孔壁之间的热阻通过边界元法进行求解。模拟结果表明,太阳能集热器平均效率为0.52,机组平均COP值可达4.36。该系统在寒冷地区应用时,能够取得很好的节能效果。

关键词：太阳能,土壤源热泵,变工况,变热流,热阻,边界元法

参考文献

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[10]张伟,朱家玲,胡涛.太阳能土壤源耦合供暖系统的实验研究[J].太阳能学报,2011,32(4):496-500.

土壤源热泵的研究篇2

土壤源热泵的研究

土壤源热泵是利用媒介质取其土壤内冷(热)能量的`新型装置.在分析土壤源有关特性的基础上,研究土壤源热泵的设置及其特性的测试.

作者：魏先勋李元旦林玉鹏曾光明 WEI Xian-xun LI Yuan-dan LIN Yu-peng ZENG Guang-ming 作者单位：湖南大学环境科学与工程系,湖南,长沙,410082 刊名：湖南大学学报（自然科学版） ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES EDITION) 年，卷(期)： 27(2) 分类号：X82 关键词：土壤源热泵地热开发地热利用

供暖季土壤源热泵系统运行分析篇3

关键词：土壤源热泵；运行模式；能耗

一、引言

地下土壤温度一年四季相对稳定（约为12～20℃），冬季比外界环境空气温度高，夏季比环境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源；因此，土壤源热泵的性能系数较高，系统运行性能较稳定，具有明显的节能效果。土壤有较好的蓄能特性，冬季从土壤中取出的热量在夏季可通过地面向地下的热传导或在制冷工况下向土壤中释放的热量来得到补充，土壤源热泵“冬取夏灌”的这种能量利用方式在一定程度上实现了土壤能源资源的内部平衡。埋地盘管无需除霜，减小了融霜、除霜的能量损失。土壤温度相对于室外气温具有延迟和衰减性，因此，在室外空气温度处于极端状态，用户对能源的需求量处于高峰期时，土壤的温度并不处于极端状态，而仍能提供较高的蒸发温度与较低的冷凝温度，从而可获得较高的热泵性能系数，提供较多的热量与冷量。土壤源热泵根据埋地换热盘管地下敷设形式的不同及是否有辅助冷热源而可分为闭式系统、开式系统、直接膨胀式系统及混合式系统。

本文对土壤源热泵系统中的热泵机组、地下埋管换热器等分别进行建模，并采用EnergyPlus软件计算建筑物负荷，建立了土壤源热泵系统仿真模型，基于仿真模型分析了土壤源热泵系统的运行模式。

二、土壤源热泵系统

（一）系统的部件仿真模型。（1）热泵机组仿真模型。热泵机组是土壤源热泵系统的重要组成部分，根据下式和样本资料可以拟合热泵机组的制热量和耗电量：

（2）U型地埋管仿真模型。地埋管换热器根据其埋管方式的不同主要分为水平埋管和垂直埋管两种方式，其中垂直埋管换热器可分为套管式地下埋管换热器及竖直U型管地下埋管换热器，垂直U型管地下埋管换热器通过地表下竖直钻孔中U型管内的流体流动与土壤进行换热，竖直钻孔用封井材料填实。垂直U型地埋管换热器的模型模拟为两种，一种为解析解，即假定条件，对U型地埋换热器的实际传热过程进行简化，根据传热方程得出方程的解析解，再通过修正参数对理论计算的结果进行修正。另一种为数值解，根据能量平衡方程和边界条件建立传热过程的偏微分方程，并对方程进行离散，采用有限元或有限差分的方法求出传热量和温度分布。已有的地下埋管换热器的模拟方法包括了：Ingersoll，kavanaugh、Shonder和

Beck等方法。

圆柱源理论由Carslaw和Jaeger提出，Ingersoll等人对其作了近一步阐述。该模型将U型埋管等价于一根圆管，该模型可直接得到圆柱孔洞壁面与土壤远边界之间的温差，其恒定热流情况下的圆柱源分析解为：

（二）工程实例分析。（1）屋面：预制钢筋混凝土楼板，加50mm厚水泥蛭石板保温；（2）外墙：37砖墙，内刷防瓷涂料；（3）内墙：24砖墙；（4）窗：双层铝合金窗；（5）门：单层木质内门

该系统的设计参数如下，冬季室外空调计算温度-9℃，相对湿度64%。冬季室内设计参数：正常运行时，室内温度20℃，相对湿度40%。热泵机组额定制冷量9kW，制热量11kW，压缩机的额定功率3.02kW，制冷实用工况冷却水流量1.15～1.60

m3/h，制热实用工况冷冻水流量0.92～1.28m3/h。所设计的U型地下埋管换热器的总长为220米，地下埋管的深度为55m，钻孔为2个，参数如下所示，通过仿真软件建立仿真模型。

（三）系统运行性能计算分析。按照上述计算公式，热泵机组性能系数COP值为3.12，地下埋管吸热总量为12477kWh。

结论：本文根据某一工程建立了土壤源热泵系统仿真模型，在冬季供暖工况下，对系统的运行模式进行了研究，可得热泵机组性能系数COP值为3.12，地下埋管吸热总量为12477kWh。

参考文献：

太阳能-土壤源热泵篇4

1 太阳能—土壤源热泵特性及运行原理

太阳能作为一种清洁的可再生能源, 取之不尽, 用之不竭。我国太阳能资源丰富。全国有2/3以上国土面积, 年日照时数大于2000h, 辐射量高于平均值。而西北地区更是得天独厚, 年太阳辐射量约在4800～6400MJ/m2, 年日照时数在1700～3300h之间[1]。太阳能辐照强, 日照时间长, 太阳能资源十分丰富, 是我国重要的太阳能应用基地。也是全国太阳能技术研发、推广和应用最早的地区之一, 有着多年的科技积累, 太阳能领域的许多开拓性工作都是从这里开始的。可以集聚更多的太阳能信息、人才及技术资源。

土壤源热泵系统 (Ground Source Heat Pump Systems, GSHPS) 就是以大地 (土壤、地层等) 中的冷 (或热) 量通过一定的采集装置, 消耗少量的高品位能源, 实现低温位热能向高温位的转移。达到制冷 (或供热) 的一种高效节能装置。由于全年地温波动小, 冬暖夏凉, 其季节性性能系数有着恒温热源热泵的特性, 季节性性能系数较高。且地能不受气候、资源、地域、地质结构限制。这种低温位热能是人类可以利用的清洁的可再生能源。冬季通过地源热泵将大地中的低温位热能提高品位对建筑供热, 同时蓄存冷量以备夏季使用;夏季通过地源热泵将建筑物内的热量转移到地下, 对建筑物进行供冷, 同时对地能蓄存热量以备冬季使用。其温度大约为年平均气温, 基本不受外界环境影响。

但是上述两种可再生能源也存在不足。首先太阳能有两方面的不足:一是能流密度低;二是其强度受各种因素 (昼夜、阴天、雨雪等) 的影响不能维持常量, 这两大缺点大大限制了太阳能的推广利用。此外, 地源热泵在长期的运行中, 将会使土壤温度场得不到及时恢复, 蒸发温度及冷凝温度波动较大, 热泵机组运行效率较低。此外土壤导热系数小, 使埋地换热器的面积较大, 这就需要较大的埋管场地。连续运行时, 热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度的影响而发生波动。此低位热源形式涉及钻探工程, 施工困难, 系统投资比较大。有资料统计, 钻孔工程量大约为每平米建筑面积的1～2倍, 特别是垂直地埋管式地源热泵系统, 需要大量的钻孔工程, 系统地下部分的投资约与地上部分持平, 影响了一些业主对于该技术的选择。因此, 针对各自的不足, 国内外的学者开始将太阳能及地源热泵构建在一起进行研究, 即太阳能—土壤源热泵系统, 该系统是以太阳能和土壤热为复合热源的热泵系统, 是太阳能和土壤热综合利用的一种形式。寒冷地区太阳能集热器和埋地盘管的组合, 具有很大的灵活性, 弥补了单独热源热泵的不足, 一年四季可以利用, 提高了装置的利用系数。冬季供暖运行时, 当太阳能集热器所提供的热量能满足建筑物的用热需要时, 可以由太阳能集热器直接将热量供给采暖系统或用太阳能热泵采暖;当集热器提供的热量富余时, 可用储热器储存起来供夜间或阴雨天使用;当集热器供给的热量不敷建筑物的用热量时, 则太阳能供热不足的时间由土壤源热泵或储热装置补充。太阳能装置与供暖季节需热率不一致的缺点, 正是土壤源热泵的优点;而对土壤源热泵来说, 由于太阳能的加入, 则可实现间歇运行, 使土壤温度场得到一定程度的恢复, 从而提高了土壤源热泵的性能系数。太阳能-土壤源热泵系统的运行工况即反映了这两种热源间能量的匹配关系。太阳能-土壤源热泵系统因其节能和环保的优势, 是一种具有发展前景的能源利用方式[2,3,4]。因此太阳能-土壤源热泵系统运行工况的研究对系统的设计、运行管理等具有重要指导意义。

太阳能-土壤源热泵系统的特点和功能的系统原理如图1所示。该系统可根据日照条件和负荷的变化情况通过控制阀门的开关来实现太阳能热泵、土壤源热泵、太阳能-土壤源热泵联合 (串联或并联) 等不同的运行模式[5,6,7]。

1.太阳能集热器, 2.贮热水箱, 3.分水器, 4.集水器, 5.地下埋管换热器, 6.循环水泵, 7.循环水泵, 8.风机盘管, 9.压缩机, 10.四通换向阀, 11.冷凝 (蒸发) 器, 12.节流阀, 13.蒸发 (冷凝) 器, (1) ～ (18) , 截止阀.

2 太阳能—土壤源热泵系统的运行模式

2.1 交替运行模式

这种方式是在白天日照条件充足的情况下采用太阳能热泵、在夜间无日照时采用土壤源热泵。它可以克服单一土壤源热泵因连续使用造成土壤温度逐渐降低的弱点。土壤源热泵由于太阳能的辅助作用可实现间歇运行, 使土壤的温度场能够得到一定程度的恢复, 从而提高热泵机组的效率。太阳能热泵也由于土壤热源的辅助作用使得系统在阴雨天及夜间仍能够运行。

1) 太阳能热泵单独运行。

白天日照条件充足时, 关闭阀 (7) 和阀 (15) , 开启阀 (1) 、阀 (8) 、阀 (9) 、阀 (12) 、阀 (5) 、阀 (6) 、阀 (3) 及水泵6运转, 此时可以关闭阀 (17) 、阀 (10) , 当阀 (6) 处水温足够高时, 可开启阀 (10) 、阀 (11) , 边供水, 边蓄热。当无日照时, 可开启阀 (17) , 关闭阀 (9) 、阀 (12) 运行至阀 (6) 处水温足够低时即可停止。

2) 土壤源热泵单独运行。

在夜间及无太阳光的阴雨天, 太阳能热泵停止运行时, 启动土壤源热泵。关闭阀 (3) 、阀 (14) 、阀 (16) 和阀 (5) , 开启阀 (2) 、阀 (4) 、阀 (6) 、阀 (3) 及水泵7运转。

2.2 联合运行模式

指晴天白天同时使用太阳能集热器与埋管取热的情况 (晚上及阴雨天太阳能热泵关闭) , 同时采用太阳能与土壤双热源作为热泵的复合热源的运行模式。此种运行模式白天由于太阳能的辅助作用可提高热泵进口流体的温度, 从而提高其运行效率, 同时可减少日间地埋管从土壤中的吸收热量。土壤自身也有短期的储能作用, 可将日间的富余太阳能储存于土壤中, 夜间再进行利用, 从而有利于夜间系统的运行。

1) 太阳能集热器与地埋管串联运行。流体从阀 (2) 出发, 流经地埋管-太阳能集热器-贮热水箱, 通过阀 (5) 、阀 (6) 进入蒸发器13, 再通过阀 (3) 回到分水器。

2) 太阳能集热器与地埋管串联运行。流体从阀 (1) 出发, 流经太阳能集热器-贮热水箱-地埋管, 通过阀 (4) 、阀 (6) 进入蒸发器13, 再通过阀 (3) 回到分水器。

3) 太阳能集热器与地埋管并联运行, 根据各自流量分配比例的不同又有多种情况。流体从分水器出发分为两路, 一路由阀 (1) 出发, 流经太阳能集热器-贮热水箱, 通过阀 (5) 进入集水器;另外一路由阀 (2) 出发, 流经地埋管, 通过阀 (4) 进入集水器;两路热水在集水器混合后由阀 (6) 进入蒸发器13, 再通过阀 (3) 回到分水器。可通过阀 (4) 、阀 (5) 调节两路水量的比例。

3 太阳能—土壤源热泵在兰州推广的可行性分析

3.1 资源状况分析

甘肃地处内陆, 远离海洋, 绝大部分地区空气干燥, 云量较少, 晴天多, 日照充足。兰州地区各季节日照时数分布见表1, 日照百分率见表2, 太阳总辐射量见表3。由表中数据可知, 兰州地区年日照时数达到2500h以上, 全年日照百分率达到57%, 年太阳总辐射量达到5500MJ/m2以上, 以日照时数≥6h的天数表示太阳能实际可利用天数, 这种天数越多, 太阳能资源利用的有效性越好, 兰州地区年日照时数≥6h的总天数约260天, 由此表明, 兰州地区太阳能资源比较丰富, 具有良好的利用条件。

MJ/m2

土壤源热泵是以浅层土壤为低位热源, 利用土壤来吸排热的热泵装置。土壤源热泵的制热性能系数比传统的空气源热泵高, 而且蒸发温度及冷凝温度基本保持恒定, 从而保证了热泵的稳定运行。但是, 我国西北地区冬季寒冷, 采暖需热量大, 采用地源热泵系统就会使冬季吸热量大于夏季向土壤的排热量, 常年累积会使土壤的温度逐年降低, 造成冬季地源热泵机组的蒸发温度下降及传热热阻增加, 效率降低, 因此单一使用土壤源热泵是不合理的, 采用太阳能-土壤源热泵则可克服此缺点。使冬季的需热量和夏季的总排热量基本相等。有关资料表明, 从土壤中的吸热量和排热量之间的不平衡在±20%以内, 就不会导致随着运行年数的增加而使热泵系统工作状况不稳定[8]。因此, 兰州地区推广太阳能-土壤源热泵系统条件适合。

3.2 环境效益

兰州市是以重工业发展为支撑的城市, 对其排放的大量有害气体, “两山夹一川”的特殊地形无法使空气及时流通, 只能聚集在这块“盆地”中。兰州的空气质量综合指数在环保重点城市中已跌至倒数位置。而兰州市冬季污染之所以严重的一个重要原因就是市区、郊区小煤炉采暖数量大, 污染重。为解决污染问题, 兰州市政府积极实施了以绿化、气化、热化、阳光和型煤5大工程为主的“蓝天计划”。但由于缺乏替代资源与治污资金, 给兰州治理大气污染造成了巨大的困局。太阳能-土壤源热泵系统运行时无需燃烧矿物燃料, 没有排烟, 也无废弃物产生, 且不需要远距离输送热量。换热器采用地埋管设计, 没有中央空调集中占地的问题, 节省了空间, 同时改善了建筑物的外观。必将对降低兰州城市环境污染和减少温室效应起到积极的作用。

3.3 技术经济性

近年来, 国内对土壤源热泵不断深入系统的研究, 及太阳能集热技术的日趋完善, 为发展太阳能-土壤源热泵提供了一定的技术支持。太阳能-土壤源热泵系统与完全采用土壤源热泵相比, 可以减少地埋管数量。降低初投资, 与传统空调系统相比没有冷却塔、屋顶风机等设备, 可大大降低系统的维护费用。节能显著, 太阳能-土壤源热泵系统使用寿命长, 投资回报率高。

4 结语

能源问题、环境问题、可持续发展问题等一直困扰着世界各国, 是世界各国在发展经济的同时急需共同来解决的全球性问题。西北大部分地区都处在我国太阳能最丰富的地区, 属于太阳能利用的一等地区。且太阳能是取之不尽, 用之不竭的一种绿色环保能源, 不受任何人控制和垄断, 这就为在土壤源热泵系统中利用太阳能提供了宝贵的资源。太阳能-土壤源热泵在建筑中的应用是, 综合利用可再生能源走可持续发展道路成熟而有效的手段, 我国地域广阔, 蕴藏着丰富的地表浅层地能资源和太阳能资源, 在建筑中因地制宜地采用该联合系统进行采暖和空调, 可有效地促进建筑节能水平的提高和人民生活水平的改善, 既节约了能源, 又保护了环境, 且符合国家资源和环境战略。有着非常广阔的发展前景。

参考文献

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土壤源热泵系统运行节能分析篇5

随着我国经济的发展, 中国已经成为碳排放大国, 作为负责任的大国, 中国将面临严峻的减排压力。必须通过节约能效, 优化能源结构, 推广新技术等措施来完成。如今节能型空调被广泛采用, 例如土壤源热泵, 在实际应用中, 节能效果明显。下面就一工程实例, 阐述利用“系统热回收”解决节能问题。

1 工程概况

江南某高校占地面积约为900亩, 在校学生规模10 000人。图书馆建筑面积为25 000 m2, 综合考虑图书馆的中央空调制冷、供暖和全校学生一年四季的生活热水供应问题, 该项目采用土壤源热泵系统。根据逐时负荷确定地埋管土壤源热泵机组的容量, 地源热泵机组额定制冷量为2 500 k W;地源热泵机组额定制热量为1 750 k W, 室外地下换热器埋管区由井深103.5 m的528口井构成, 分成6个区, 每区88口井。井孔间距5 m×5 m, 回填灌浆料为膨润土与原浆的混合浆料。热水机组负荷侧一年四季进出水温为50℃~55℃。

2 土壤源热泵系统设计策略

为了尽可能达到节能减排的效果, 本工程最大限度提高能源的利用率, 采用系统热回收的方案, 尽量使废热得以利用、从而减少废热的排放。

热回收是通过一定的方式将冷水机组运行过程中排向外界的大量废热回收再利用, 作为用户的最终热源或初级热源, 实现热能的二次利用, 从而减少空调系统的能源消耗。热回收型冷水机组一般采用串联型冷凝器, 热回收量一般最高仅为制冷负荷的20%~30%。而且, 热回收量随着冷负荷的减少很快下降, 不能相对稳定提供回收热量。虽为废热利用, 具有一定的节能环保意义, 但节能量相对较小, 对系统运行的稳定性存在不利的影响。本工程采用一种“系统热回收”的形式使热回收量更多, 系统运行更稳定, 不影响水冷式制冷机组的原有结构与系统, 其节能意义可得到较大提高。

2.1“机组热回收”与“系统热回收”方案比较

机组热回收:一种采用带热回收功能的热泵机组。这种方案的弊端在于, 夏季空调制冷时机组热回收的热水和冬季供暖时机组“分配”的热水量太小, 远远不能满足全校近万名学生的洗澡问题, 而春秋过渡季节空调停用时无热水提供, 不仅需要另外配置锅炉, 而且地下换热器热平衡问题无法真正解决, 还得配置冷却塔。

“系统热回收”:即地源热泵系统专门配置一台高温热水热泵机组, 和空调机组的地源侧供、回水联成一个大系统, 根据空调机组夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三种不同情况, 采用方便灵活的调控手段和不同季节的不同热回收方式, 实现一年四季的“系统热回收”。这样既完全解决了该校学生一年四季的生活热水需求, 又有效地解决了地下热平衡问题。“系统热回收”又分为“直接热回收”和“间接热回收”。

2.2“直接热回收”和“间接热回收”

“直接热回收”。空调机组夏季制冷时, 从系统源侧总分水器中分配一部分水 (准备进入地下换热器) 给热水热泵机组作为源侧供水使用, 热水热泵机组源侧回水送到系统总集水器供空调机组使用。理论上讲, 空调机组引到热水机组的源侧供水的热量已被热水机组制热水时“回收”, 而且“回收”的热量超过了空调热泵机组冷凝器排出的同等水量中的热量, 这部分水就不再送到地下, 而直接回到系统源侧总集水器供空调机组使用。此举明显减轻了空调机组源侧循环泵的负荷。由于热水热泵机组和空调热泵机组源侧供、回水反向使用, 从系统总分水器引过来的空调机组冷凝器出水流量、流速、压力稳定、可靠, 在这种状态下热水机组源侧专用循环泵不必开启, 照样保证热水机组安全、稳定地运行, 因而更加节能。以上所说的就是“系统热回收”中的“直接热回收”。

“间接热回收”。空调机组冬季制热时, 热水机组的地源侧用水与空调机组相同, 全部从总集水器中分配使用, 回水全部由总分水器送往地下。由于设计地埋管数量时, 是按照满足冬天3台机组同时制热工况要求考虑的, 所以不必担心地源侧供水流量不足或低温保护的问题。根据苏州的冬季气温规律, 本工程冬季供暖的热负荷只需启动1台空调热泵机组就够了, 3台机组同时制热的概率极低。春、秋季空调机组不工作时, 热水机组必须满足生活热水需求。控制方法:使用另一台源侧专用循环泵 (两用一备, 用电输入功率相当于空调机组源侧循环泵的三分之一) , 通过系统总集水器直接从地埋管六个区中的两个区 (88×2=176口井) 抽取地埋管总量三分之一的循环水供热水机组使用, 尔后通过系统总分水器回到地下。具体操作方法:开启总集、分水器通往热水机组的供、回水闸阀, 同时开启总集、分水器另外六组闸阀中的两组供、回水对应闸阀, 其余四组回路的闸阀全部关闭。整个春秋过渡季节, 通过总集、分水器六组闸阀的定期轮流切换, 使地下六个区的埋管换热器从使用时间和供回水温度显示综合考虑和控制各区热平衡。冬季和春秋过渡季热水机组直接抽取地埋管循环水提取热量生产热水, 对热水机组而言就是正常的制热工况, 但从整个地源热泵系统地下温度场全年热平衡的角度看, 实际上就是“系统热回收”中的“间接热回收”

3 系统热回收的运行分析

3.1 夏季空调与热水机组运行分析

本工程建成运行至今已有四年多, 系统运行状况满足设计要求, 夏季制冷工况直接热回收, 由于学校在暑期放假, 图书馆空调与生活热水的制冷机组都停用, 夏季的制冷工况运行主要在6月下旬、7月上旬、8月下旬与9月份的时间, 根据空调机组运行测试的平均参数, 其逆卡诺循环制冷系数:

空调机组与热水机组同时工作状态:

空调机组单独工作的状态:ε2=To/ (Tk-To) =21.12

式中, ε1-空调机组与热水机组同时工作状态时的制冷系数。

ε2-空调机组单独工作的状态的制冷系数

To-冷水机组工质的蒸发温度 (K)

Tk-冷水机组工质的冷凝温度 (K)

从逆卡诺循环制冷系数的计算结果可知:具有系统热回收的空调机组的逆卡诺循环制冷系数明显大于无系统热回收的空调机组的逆卡诺循环制冷系数。

由于夏季热水量使用少, 热水箱存水量较多, 冷热水混合后水温较高, 加上热水热泵机组的蒸发器进出水与空调机组冷凝器进出水共用一对地源侧总的集分水器, 使得热水热泵机组的蒸发器进水温度高于无空调机组运行时的水温, 实现了空调机组冷凝热的回收, 因此夏季热水机组在较短的工作时间内使热水箱的水温达到50℃, 实现了节能降耗的效果。

3.2 春秋两季热水机组运行分析

春秋季节热泵系统主要以热水机组生产生活热水为主, 热泵机组吸收地下热量并作用于生活用水, 使水升温至50℃以上, 制取生活热水的原理是采用土壤源热泵间接热回收的方案, 春秋季节热水机组工作所需地下换热器只要二个井区, 当生活热水的温度达到50℃以上时其逆卡诺循环制冷系数在6.432以上, 当热水机组工作较长时地下换热器出水温度有所下降, 因此在运行操作中, 进行换区运行, 每两个星期进行地下换热器换井区, 换区后的地下换热器出水温度可以提高1.35℃左右, 有利于提高热水机组的蒸发温度, 达到提高热水机组的制冷系数。由于热泵系统的间隙运行, 停机后地下换热器因地下水的渗透及土壤热量的扩散, 使得地下换热器内的水温回升或下降, 出现自身 (水) 恢复过程, 经过16 h的停机, 地下换热器的水温由12.7℃上升至15.9℃, 如图1所示。

3.3 冬季空调制热与热水机组的运行分析

冬季土壤源热泵系统的运行主要是从地下换热器吸收热量, 实现图书馆空调制热与热水机组生活热水的制取, 其制热工况以间接热回收的方案实施, 由于冬季自来水水温较低, 热水机组工作时间较长, 而地下换热器全年出水温度维持在16~20℃之间, 如图2所示, 其运行的逆卡诺循环制冷系数在6.04以上, 如图3所示。空调机组制热运行的逆卡诺循环制冷系数为9.6以上, 如图4所示。

4 结语

本土壤源热泵工程采用系统热回收后, 夏季空调机组的冷凝器排出的热量被热水机组吸收转移, 减少了向地下排放的热量, 空调机组与热水机组的工作效率都获得了提高。春秋季节热水机组单独工作时, 通过地下换热器的换区运行, 使不工作的井区获得较长间隙的自身恢复, 平衡了各井区被吸收的热量, 有利于提高地下换热器的出水温度, 提高了热水机组工作性能。由于夏季空调机组的冷凝器向地下排放热量, 春秋季节的间歇运行, 全年地下换热器最低出水温度大于16℃, 冬季热水机组与空调机组运行处于高效能状态。通过本工程四年多时间的良好运行, 认为土壤源热泵系统地下换热器出水温度与系统是间歇运行还是连续运行有关, 夏季空调机组连续工作, 地下换热器的出水温度逐步升高;冬季空调机组连续工作, 地下换热器的出水温度逐步下降。从而看出, 通过“系统热回收”后, 在学校土壤源热泵项目中的热平衡问题得到改善, 并具有较好的节能效果, 值得推广。

摘要：通过土壤源热泵系统在夏季、春秋季及冬季不同的工况下运行性能分析, 系统采用“系统热回收”的方案, 夏季减少向了地下排放热, 并且提高了冷水机组的工作效能;春秋季节地下换热器的换区运行, 能平衡各井区被吸收的热量, 还能使各井区得到较长间隙的恢复;冬季因“系统热回收”运行, 地下换热器出水温度大于16℃, 使空调机组与热水机组的工作效率高且稳定。

关键词：土壤源热泵,系统热回收,节能环保,分析

参考文献

[1]刁乃仁, 方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:中国高等教育出版社, 2006.

[2]蒋能照, 刘道平.水源地源水环热泵空调技术及应用[M].北京:中国机械工业出版社, 2007.

结合工程实例谈土壤源热泵系统篇6

目前, 能源问题已成为政府和全社会共同关注的问题。我国与同等气候条件国家相比较, 建筑物能耗要高出2~3 倍。而在全社会能耗中, 建筑能耗占30%以上, 其中, 空调能耗占50%以上。从2000 年以来全国城市建筑开发量平均每年在10×108m2以上, 其中, 住宅 (4~6) ×108m2/a, 公建 (5~6) ×108m2/a, 现在已经达到接近20×108m2/a的开发量。所以, 建筑节能在解决能源危机中发挥着不可忽视的作用。

2 工程介绍

1) 工程概况:某工程总建筑面积99 995.85m2, 其中, 地上77765.95m2, 地下22229.9m2。由业务服务中心、服务中心、客服中心、宿值室2 栋、管理及业务维护用房2 栋、生产用房2栋、武警营房和油机房多部分组成。最高建筑高度18.1m。

2) 基础数据:夏季建筑物总冷负荷为5 715.8kW;冬季空调总热负荷为3909.8kW。

根据建筑物的特点, 对建筑进行全年逐时负荷计算, 其结果如图1 所示。

3 土壤热泵系统设计

3.1 土壤热泵系统原理及其特点

3.1.1 土壤热泵系统原理

土壤热泵系统采用垂直埋管方式, 利用地下浅层土壤温度常年保持在10~20℃左右的特点, 通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的。

夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下, 对建筑进行降温;冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。系统工作原理如图2 所示。

3.1.2 土壤热泵系统特点

土壤热泵式中央空调系统是以大地为冷源、热源对建筑进行空气调节, 该系统利用了地球表面浅层地热资源, 冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下, 对建筑进行降温。利用这种技术, 与其他的能源形式相比, 其突出的优点在于:

1) 采用可再生能源利用技术

土壤源热泵是利用了地球表面浅层地热资源 (通常小于400m深) 作为冷热源, 进行能量转换的供暖空调系统。

地表浅层好象1 个巨大的太阳能集热器, 收集了47%的太阳能, 比人类每年利用能量的500 倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能, 是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地能不象太阳能受气候的影响, 也不象深层地热受资源和地质结构的限制。另外, 土壤源热泵冬季供暖时, 同时对地能蓄存冷量, 以备夏用, 夏季空调供冷时, 又给地能蓄存热量, 以备冬用。因此说土壤源热泵是可再生能源利用技术。

2) 属经济有效的节能技术

地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是热泵很好的供热热源和供冷冷源, 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高, 供热时比燃油锅炉节省70%以上的能源;制冷时比普通空调节能40%~50%。

3) 环境效益显著

土壤源热泵系统全部为闭式循环, 不抽取地下水, 不会造成地下水的污染以及地表下陷;热泵的运行没有任何污染, 没有燃烧, 没有排烟, 也没有废弃物, 不需要堆放燃料废物的场地, 且不用远距离输送热量。可以建造在居民区内, 适应社会对能源的发展要求。

4) 地源热泵空调系统维护费用极低

在同等条件下, 采用土壤源热泵系统的建筑物维护费用非常低。土壤源热泵系统的地下换热器埋于地下, 可保证系统运行50a, 运行过程中免于维护, 从而节省了维护费用。

5) 一机多用, 应用范围广

热泵机组即可制冷、供暖, 还可回收利用机组的冷凝热供生活热水, 1 套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

3.2 系统设计

土壤热泵机组夏季为系统提供的供回水温度为7/12℃, 冬季供空调用50/45℃热水。

地源热泵设在6B7B#楼地下1 层制冷机房内, 其工作示意图见图3。

3.3 主要设备选择

根据该项目的特点 (6B7B#楼通信设备的发热量较大, 可回收利用的余热可基本满足本项目的卫生热水的热量需求) , 非通信机房楼的冬夏季空调负荷全部由土壤热泵系统承担。

土壤热泵机组的选择:

选用3 台螺杆式土壤热泵机组, 每台机组夏季制冷量1 905.3kW, 空调供回水温度7/12℃, 地下换热器供回水温度30/35℃;冬季制热量1 635kW, 空调供回水温度50/45℃, 地下换热器供回水温度0/-4℃。

3.4 地下换热器系统配置

地下换热器系统配置如下:

地下换热器数量:800个;

地下换热器形式:双U竖直埋管形式;

地下换热器有效深度:100m;

地下换热器地质:按砂土、黏土考虑;

地下换热器管材:dn32的PE100, 承压1.6MPa;

地下换热器需打孔面积:约2.88×104m2。

3.5 主要设备 (见表1)

3.6 初投资

经相关单位估算该系统总的初投资约1 156 万元 (不包括土壤热泵机组) 。

4 方案比较

4.1 常规空调加燃气锅炉系统

4.1.1 方案概述

常规空调加燃气锅炉系统夏季空调冷负荷完全由离心式冷水机组承担, 冬季空调热负荷完全由燃气锅炉承担。

4.1.2 主要设备选择

夏季选用2 台离心式冷水机组, 冬季选择2 台燃气锅炉。主要设备如表2。

4.1.3 初投资

对系统初投资估算如下:系统总的初投资约300.75 万元 (不包括离心式冷水机组和燃气锅炉) 。

4.2 常规空调加城市热网系统

4.2.1 方案概述

常规空调加城市热网系统夏季空调冷负荷完全由离心式冷水机组承担, 冬季空调热负荷完全由城市热网承担。

4.2.2 主要设备选择 (表3)

4.2.3 初投资

对系统初投资估算如下:系统总的初投资约479.75 万元 (不包括离心式冷水机组和板式换热器) 。

4.3各方案经济比较 (见表4)

比较基准:

1) 运行时间:夏季运行90d, 每天运行10h;冬季运行150d, 每天运行12h。

2) 土壤热泵电价:0.50 元/ (kW·h) , 常规空调采用商业非峰谷电价:0.80 元/ (kW·h) , 天然气价:2.4 元/m3。

3) 空调负荷系数取0.7。

4) 计算公式:

夏季=90×10×0.7×电价×耗电量

冬季=150×12×0.7× (电价×耗电量+2.4×天然气耗量)

5 结论

从以上比较中可以看出, 虽然常规空调在初投资上具有优势, 但是运行费用很高, 土壤热泵与常规空调相比, 投资回收期约为5a。

经过上述方案比对, 最终将土壤源热泵系统作为空调系统冷、热源。

参考文献

[1]GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[2]DB 11/687-2009公共建筑节能设计标准[S].

太阳能-土壤源热泵篇7

土壤耦合热泵系统是目前公认的较好的空调设备,在美国和欧洲一些国家,应用土壤耦合热泵系统进行室内空气调节和建筑物热水系统已经有很多年的历史,在土耳其和日本等国家也有广泛的应用[3]。近几十年来,许多学者对土壤耦合热泵系统设计、系统测试、数值计算等方面进行一些研究,研究资料表明:地埋管周围温度的分布对于换热器的设计和换热量的计算会起到关键作用。由于描述地下换热器与周围土壤之间传热过程极其复杂,对地下换热器的换热规律进行大规模试验也有很大的难度,而且试验成本很高,很难顺利的开展[4],因此,本文利用有限差分法对地埋管周围温度分布进行了数值计算,找出了用于计算埋管周围温度分布的计算模型,为工程中土壤耦合热泵的设计奠定了基础。

1 土壤温度场的数学模型和数值算法

土壤的温度是随深度和时间变化的周期函数,地下换热器和周围实际土壤之间的传热过程十分复杂,它与土壤的类型、土壤含水量、热湿迁移等因素密切相关,要想建立能精确模拟实际工况的模型来精确求解,以现有的计算技术几乎不可能[5],本文在计算时也做了如下假设:

1)土壤性能均匀,且其类型也不随埋管的变化而变化;2)在埋管周围一定距离上,土壤温度只随昼夜和季节的交替而变化;3)传热过程是轴中心对称分布;4)埋管间距足够大,忽略管间换热的相互影响;5)忽略与管轴中心平行方向上的热量交换;6)空气与地表的边界换热为对流换热。

1)计算区域的网格划分。

有限差分计算的网格模型如图1所示,图中A,B,C,D,L和K表示用于计算土壤温度分布时计算区域在x,y方向的有效距离,x,y平面被分成很多方形区域,网格中实线的交点是计算节点,每一个小方格是控制体积。控制体积在x与y方向的宽度分别为Δx和Δy,本文在划分计算网格时,取Δx=Δy,控制体在z方向的边长为1,整个计算区域在x,y方向的总长度分别为0.16 m和0.132 m。

2)计算参数见表1。

3)控制方程。

对于土壤的二维瞬态传热的控制方程为[6]:

其中,T(x,y,t)为土壤温度,x为水平距离,y为垂直距离;α为土壤导热系数;t为换热时间。

4)初始条件和边界条件。

当t=0时,T(x,y,t)=Td;

当0<y<A且x=0时,T(x,y,t)=Tw(x,y,t)=常数;

当0<x<L且y=0时,T(x,y,t)=Td;

当0<x<D且y=A时,T(x,y,t)=Tw(x,y,t);

当0<x<D且y=A+C时,T(x,y,t)=Tw(x,y,t)。

2 计算结果及分析

计算时取管内流体温度为12.4℃,流体密度为1 000 kg/m3,计算的结果取每隔半个小时土壤的温度,通过数值计算得到不同流体质量流量时埋管周围土壤温度的变化情况,如图2,图3所示。

从图2,图3中可以看出,土壤温度随着运行时间的变化而降低,这主要是因为土壤中的能量被循环流体带走而造成的温度下降。另外,从图1～图3中的数据对比分析可以知道,当采用相同的埋管形式,埋管的管径、管材、间距和周围土壤物性相同时,当我们改变管内流体的质量流量时,埋管周围土壤的温度分布随管内流体流量的变化而变化,其变化规律是管内流体质量流量越大,埋管周围土壤温度越低,这主要是因为管内流体的质量流量越大,在单位时间内从土壤中带走的能量越多,造成土壤温度降低的速度也越快。

3 结语

本文着重介绍了基于有限差分法计算土壤耦合热泵地埋管周围土壤温度分布的计算方法,并计算了埋深1 m,不同质量流量时埋管周围土壤温度的变化规律。计算结果表明:埋管周围土壤的温度分布随管内流体流量的变化而变化,其变化规律是管内流体质量流量越大,埋管周围土壤温度越低。上述理论研究成果为地热换热器的设计和数值计算提供了更加精确的理论基础和计算方法,也为提高地热换热器换热效能指出了方向。

摘要：着重介绍了基于有限差分法计算土壤耦合热泵地埋管周围土壤温度分布的计算方法,并计算了埋深1 m,不同质量流量时埋管周围土壤温度的变化规律。计算结果表明:埋管周围土壤的温度分布随管内流体流量的变化而变化,其变化规律是管内流体质量流量越大,埋管周围土壤温度越低。

关键词：地源热泵,地埋管换热器,换热规律

参考文献

[1]杨卫波,施明恒.基于元体能量平衡法的垂直U型埋管换热特性的研究[J].热能动力工程,2007(1):96-97.

[2]高青,李明,闫燕.地下井群换热强化与运行模式影响规律[J].太阳能学报,2006(1):83-88.

[3]唐志伟,时晓燕.地源热泵U型地管下换热器的数值模拟[J].北京工业大学学报,2006(1):62-63.

[4]Yawzturk C,Andrew D.Chiasson.Performance Analysis of U-Tube,Concentric Tube,and Standing Column Well Ground HeatExchangers Using a System Simulation Approach[J].ASHRAETransactions,2002,108(2):925-938.

[5]方肇洪,刁乃仁.地热换热器的传热分析[J].工程热物理学报,2004(7):686.

太阳能-土壤源热泵篇8

1.1 可再生能源的发展趋势

据统计,我国建筑用能已超过全国能源消耗量的1/4,并将随着人民生活水平的提高而进一步增长[1]。如何减少建筑中的能源消耗量,如何建造新型“绿色建筑”,已成为我国甚至国际上广泛讨论的话题。而近几年来,我国政府大力推广“节能减排”的政策,使得可再生能源的概念深入人心。与不可再生的煤炭、石油、天然气等资源相比,可再生能源有很大的优势,具体表现如下:

1)来源广泛。包括太阳能、土壤、地下水、地表水及污水等,是普遍存在的能源。2) 环保无污染。避免了由于燃烧化石燃料造成的烟尘、固体废弃物对环境的污染,是真正的“绿色能源”。3)避免了能源品位退化。直接应用不可再生能源给建筑制冷供暖能效很低,由于其具有不可再生性,更是一种能源浪费。此外,借助热泵技术的应用,使得能源的利用效率大大提高。继欧美之后,我国也已开始大力发展基于水源、地源的热泵技术。

1.2 土壤源热泵系统原理

土壤源热泵系统被ASHRAE归纳为地热资源的三种利用方式之一,一般由三个子系统构成,包括低位冷热源系统、热泵机组和末端系统。系统从埋管形式上可分为垂直埋管和水平埋管,工程中多用垂直埋管,即钻孔打井后在井内埋设U形管或同心套管,这种方式可以节约土地面积。冬季,地埋管从土壤中吸取热量进入机组,再通过系统末端向建筑物供暖。夏季时将热量释放到土壤中,向建筑物制冷,通过转换阀门即能起到冬、夏工况转换的功能,且该系统同时还能制备生活热水,可实现建筑夏季供冷、冬季供暖、全年提供热水的“三联供”。

1.3 土壤源热泵应用优势

1)能量消耗低,经济实用。2)产生污染小。3)无冷却塔或室外压缩机等,换热管埋于地下,不破坏建筑美观。

2 土壤源热泵间歇运行实验

2.1 实验装置及测试系统

主要实验装置包括3个直径110 mm,深度50 m的竖井,分别是测量地温分布及变化的0井、回水管不带保温的换热井1井,带保温(地面至井下30 m U形出水管保温)的换热井2井,井内分布有热电偶以测定不同土壤深度的温度分布。1)温度测试。共布置32只铜—康铜热电偶温度传感器,温度测点分布为:1井布置5个热电偶;2井布置8个热电偶,其中保温部分内外均布置热电偶;0井布置15个热电偶,其中有5个为备用——间隔10 m一个;另外1井、2井进出水管路分别布置1个热电偶(共4个),以测量1井、2井进出水温度。热电偶所测温度值由数据采集装置、计算机以及相应软件构成,热电偶测温分辨精度为0.1 ℃。此外,为了控制水箱内水温符合实际工程情况,需要测量加热水箱内水温,在两个加热水箱上设置两个量程为0 ℃～50 ℃的水银温度计。2)流量测试。将两只LZB-40型玻璃转子流量计接入系统中分别测量1井及2井热泵系统循环水的流量。流量计测量范围:0.16 m3/h～1.6 m3/h,测试精度0.04 m3/h,承压0.6 MPa。3)辅助装置。经计算后,选择两台额定流量1 m3/h,额定扬程15 m的单相自吸漩涡泵作为循环水泵。并采用两台完全相同的电加热水箱模拟实际的热泵机组,尺寸为250×250×300(长×宽×高)。

2.2 实验内容

1)间歇运行地温恢复的实验。

2008年4月9日9:00开始运行,流量为0.82 m3/h,18:00停止运行。4月10日9:00继续开机运行。记录从运行开始到第2天再次运行的24 h之内不同土壤深度的温度变化情况,具体数据见图1。

由图1可知,在开机运行的9 h内,土壤温度呈上升趋势,在运行后第9小时,即18:00时土壤温度达最大值。此后系统停止运行,土壤温度逐渐下降,实验进行至15 h后,土壤温度基本稳定。可以看出,实验进行24 h后,土壤温度比实验前略高,说明停止运行的15 h内土壤温度没有完全恢复,而是有一部分热量储存在土壤中。此外,从图1可以看出,实验开始前不同深度土壤温度基本相同,开始运行后,不同深度的土壤温度也不相同。根据24 h不同深度的土壤平均温度可知,10 m处土壤由于比较接近空气,因此温度较高。从20 m～40 m,随着土壤深度加大,温度也随之升高,在40 m左右达到最高,此处换热效率也相对最大。而50 m处由于换热器内流体温度接近周围岩土温度,因此土壤温度最低,即此处换热量相对最小。

2)1井(不保温)与2井(保温)相同工况下换热量比较。

系统于2008年4月9日9:00开始运行,流量为0.82 m3/h,18:00停止运行。根据公式:Q=cp·m·(tg-th)。

其中,Q为地埋管换热器与土壤的换热量,W;cp为循环水的定压比热,取4.187 kJ/(kg·℃);m为循环水的质量流量,kg/s;tg为地埋管换热器的进水温度,℃;th为地埋管换热器的出水温度,℃。

根据运行过程中各个时刻的进、出水温度,可计算得出非保温井1井和保温井2井在同一工况、相同时刻的换热量。如图2所示,在相同时刻,保温井的换热量远大于不保温井的换热量,且二者随时间的变化趋势基本相同,说明出水管经过保温后,土壤源热泵换热量可以显著提高。因此在实际工程中,为了使土壤源热泵达到良好的运行效果,应尽量采取保温措施,以提高换热效率。

3 土壤源热泵应用的实际问题

1)冷热负荷不平衡问题。土壤源热泵可以看作是一种把热量储存在土壤中再重复利用的系统,但是由于南方冷负荷大于热负荷,夏季储蓄在土壤中的热量冬季不能够完全释放,这样会造成热量在土壤中的累积,使用几年后会影响地埋管的换热效果。而北方地区热负荷大于冷负荷,情况正好相反,为了保证土壤源热泵系统的长期稳定运行,在一个取热—排热周期中,应尽量保持从地下的取热量和向地下的排热量基本平衡,这就需要准确计算建筑热负荷,从而确定系统形式,进行机组选型等。2)地埋管长度也对换热有很大影响,当进水管流体下降到某深度后,水温接近岩土温度,换热器内流体与周围岩土不发生工程意义上的换热。在负荷的影响下,地埋管换热器的流量应在一个范围内发生变化。流体进入地埋管换热器后,当流体温度下降至温差传热基本消失,换热器将达到最大换热量[3]。3)尽量注意地埋管的保温,根据上述实验,保温后对土壤源热泵的影响较大,可显著提高系统与土壤的热交换量,换热效果更明显。

摘要：介绍了地源热泵系统的发展、原理及其应用优势,在此基础上进行了相关实验,并对测试结果进行了分析,实验表明系统运行时,不同深度土壤温度不同,且回水管保温后可提高换热量,并且提出了地源热泵应用时应注意的相关问题。

关键词：地源热泵,温度测试,实验研究,应用

参考文献

[1]马重芳,王伟,王晓涛,等.热泵应用的战略意义和技术问题[J].地源热泵,2007(4):25-28.

[2]赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]王勇,刘方,付祥钊.基于层换热理论的竖直地埋管换热器设计方法[J].暖通空调,2007,37(9):35-39.

太阳能-土壤源热泵篇9

中国北方地区, 冬季漫长而寒冷, 建筑供暖能耗较大, 该地区冬季主要以燃煤锅炉供暖, 能源利用率低, 环境污染严重。如果这些地区能够采用土壤源热泵供暖, 将会取得极好的节能减排效果。目前, 国外在寒冷地区单独采用土壤源热泵供暖的工程应用已见报道, 如日本北海道地区冬季比较寒冷, 该地区目前已建成单独采用土壤源热泵供暖的系统[5]。国内对寒冷地区单独采用土壤源热泵供暖的研究也有报道, 但主要用于冬季不是特别寒冷的地区。

本文所研究的系统位于黑龙江省北安市，该地区冬季非常寒冷，目前在如此寒冷地区建造土壤源热泵系统的工程应用实例还未见报道。希望通过本文的研究，能够对土壤源热泵在严寒地区的推广、应用提供借鉴。

1 实验系统介绍

实验所用的土壤源热泵系统位于黑龙江省北安市，冬季室外最低气温低于 -30℃，采暖期室外平均计算温度 -12.5℃左右，采暖期长达 200 天，地下土壤温度较低，经测试 150 米以上土壤的平均温度只有 7℃。系统主要用来为农垦北安分局的养老中心公寓楼进行冬季供暖，公寓面积为 3000m2。

根据热负荷计算，确定该系统的热泵机组额定输入功率为80KW，冷凝器侧循环泵额定输入功率为 11KW，蒸发器侧循环泵额定输入功率为 7.5KW。地埋管换热器选用 PE100 级聚乙烯管，管内径为 26mm。钻孔数量 70，钻孔直径为 180mm，孔深 100m，采用垂直单 U 型布置，各孔之间间距为 5 米，回填材料为粗砂和粘土混合，管内循环介质为乙二醇水溶液。室内散热系统采用地板辐射盘管散热器。建成后的土壤源热泵机房系统如图 1 所示。

实验数据采集系统根据测试要求自行研制。

2 实验结果分析

寒冷地区土壤源热泵系统供暖特性实验是在 1 份进行的，此时是该地区最冷的季节，因此测试数据很有代表性。实验时系统连续运行了 24 小时，每小时的数据取平均值，主要测试了地埋管换热器进、出口温度和单位孔深换热量，房间供、回水温度，热泵机组的制热功率和 COP 值。

地埋管换热器进出口温度的变化如图 2 所示，系统运行前 8 个小时内，地埋管换热器温度下降幅度较大，之后趋于平衡，24 小时内换热器进、出口温度的平均值分别为 -2.01℃和 0.35℃。

房间供、回水温度的变化如图 3 所示，8 小时之前随供水温度升高较快，之后趋于平缓。供水温度的升高和地埋管换热器出口温度的降低，机组制热功率下降速度较快，之后趋于平稳，房间供、回水平均温度分别为 40.95℃和 45.03℃。

热泵机组COP值的变化如图4所示, 由图可以看出, 机组COP值的变化趋势是一致的, 热泵机组COP值的平均值为3.02。

通过以上的分析可以看出, 应用于寒冷地区的土壤源热泵系统, 地埋管换热器进、出口温度较低;当房间供水温度超过45℃时温升较慢, 同时热泵机组的COP值偏低。

3 结论

3.1应用于寒冷地区的土壤源热泵系统, 系统运行时地埋管换热器的进、出口温度较低, 平均值分别为-2.01℃和0.35℃, 因此循环介质要采用防冻介质。为了适当提高机组蒸发器侧出口的温度, 宜采用小温差大流量的运行模式。

3.2在前8个小时, 随着供水温度的升高和埋地换热器出口温度的降低, 机组制热功率和COP至下降速度较快, 之后趋于平稳。

3.3当房间供水温度超过45℃时温升较慢, 同时热泵机组的COP值偏低, 所以应用于寒冷地区的土壤源热泵系统, 其供水温度不宜过高。

3.4应用于寒冷地区的土壤源热泵系统, 虽然土壤温度偏低, 但机组平均COP可以达到3.02, 节能效果还是很明显的, 所以还是适合于在寒冷地区应用的。