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  • 热堆积现象研究
  • [2013-08-02]
  • 地源热泵系统热堆积现象研究

    罗迎宾      梁路军     季柳金

    摘要  文章介绍了地源热泵系统的运行原理;提出在中国南方地区使用地源热泵系统,由于未考虑到热平衡效应,而带来的热堆积现象(热屏障现象)。同时,根据实际工程经验,提出缓解热屏障的技术手段和措施。

    关键词  地源热泵;热堆积;热屏障

     

    Abstract: The article introduces the operating principle of the ground-source heat pump system. In the South China useing ground-source heat pump system, as not taking into account the effect of heat balance, so lead to the accumulation of heat (heat shield phenomenon). At the same time, according to the actual project experience, to ease the heat shield of technical means and measures.

    Key Words: ground-source heat pump;the accumulation of heat;heat shield

     

    前言

           地源热泵系统,就像水泵能把低位水提升到高位一样,可以把热从低温端传送到高温端。地源热泵(GSHP)是以大地为热源对建筑物进行空调、供暖和热水供应的技术。

           众所周知,地表之下20米内,受太阳辐射影响,温度随着气候的变化而出现滞后性变化。而在20米之下,全年均保持一个相对稳定的温度。在夏季,地下的温度要比地面空气温度低;而在冬季却比地面空气温度高。地源热泵正是利用大地的这个特性,通过埋藏在地下的换热器,与土壤或岩石发生热量的交换。在冬季,埋管内的介质将地下的热量抽出,然后通过热泵主机和室内系统给建筑物供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;在夏天,将建筑物内的热量抽出,通过埋管系统排入地下,同时蓄存热量,以备冬用。由于地源工况相对比较稳定,因此地源热泵系统可稳定的实现冬季供热和夏季供冷。

     

    地源热泵系统组成简介

           地源热泵系统是指以土壤或地下水、地表水为低温热源,由水源热泵机组、地能采集系统、室内系统和控制系统组成的供热空调系统。根据地能采集系统形式不同,地源热泵系统分地埋管、地下水和地表水三种形式。图1为典型的地源热泵系统基本组成示意图。其中:①垂直埋管换热系统;②地源侧循环泵;③地源热泵机组;④负荷侧循环泵;⑤风机盘管系统;⑥高位膨胀水箱;。

    图1 地源热泵系统运行原理图

    土壤温度随气候条件变化趋势

           地球这个庞大的物体主要由地壳、地幔和地核等几大部分组成。影响土壤温度分布的因素一般分为两大类:一是土壤得到的热量,是使土壤温度上升的因素;二是致使土壤热量散失的各种影响因素。每年太阳辐射到地球的能量中,被大气云层吸收了约19%;散射了约34%,其中13%散射至地面;直射地面的太阳能只有47%左右。据统计,年全球获得的太阳能约7.0×1021kJ;而全年地球表面散逸的热量约1.4×1016kJ,大量的热能储藏在地表层土壤中,因此,太阳辐射能是浅层土壤热量的主要来源,其温度的变化主要受太阳辐射和大气温度的影响。但是,深层土壤中的能量,则主要是由于地核内部能量的传导。因此,根据下图2地球土壤温度分布曲线,我们可以看出,在地面之下20米左右的土壤中,温度受太阳辐射强度的变化,随季节而发生波动性的变化;但是,在地面20米以下,由于主要受地核内部的稳定热源作用,因此,土壤温度全年基本恒定,同时,土壤恒温带温度比年平均温度高2~3℃。

    图2 地球土壤温度分布曲线图

           下图3徐州地区土壤深度分别为3米、6米和14米时全年温度变化曲线图,从图中可以得到以下结论:

           ① 土壤温度的变化幅度比气温要小,而且深度愈深,变化的幅度就愈小;

           ② 土壤越深,其温度值越趋近一个常数,这个常数值等于地表面大气温度平均值;

           ③ 土壤温度对气温有滞后效应,深度愈深,滞后愈大;

     

    图3 徐州地区不同土壤深度下全年温度变化曲线图

     地源热泵系统热堆积现象

           地源热泵系统,夏季不断从室内吸收热量排放至地下;而在冬季,则不断提取土壤中的热量以实现室内供暖。换言之,夏季向土壤中蓄存热量,冬季从土壤中提取热量。但是,当地源热泵系统夏季向地下累计释放的冷凝热大于冬季从地下累计吸收的热量时,则会在地下形成“热堆积”,使地下恒温带温度逐渐上升,地源热泵系统的供冷效率逐年恶化;当地源热泵系统夏季向地下累计释放的冷凝热小于冬季从地下累计吸取的热量时,会使地下恒温带温度逐年下降,形成所谓“冷堆积”,使地源热泵系统的供热效率逐年降低。

           因此,地源热泵系统的设计过程中,务必核查与确保系统夏季向地下的散热量和冬季从土壤中提取的热量二者平衡;若无法形成平衡,则必须使用冷却塔或者热回收技术,以缓解热量的散失。

           江苏南京某高校图书馆项目,建筑面积约1.2万平米,实际空调面积1万平米,夏季空调负荷为1200KW,冬季采暖负荷为800KW;采用地源热泵系统作为空调形式。机组采用南京某公司满液式水源螺杆热泵机组,制冷COP为5.6,制热COP为4.8,全年热交换量为:

    夏季:

    冬季:

           夏季与土壤的换热量约为冬季与土壤的换热量的2.23倍。即夏季储存在土壤中1份能量,冬季仅仅能够利用其中44.8%的能量,其余部分将会逐年累积在土壤中,从而造成大地恒温带温度的逐年升高。利用美国Gaia Geothermal公司的GLD地源模拟软件,通过计算机进行20年连续运行模拟,地源工况温度变化情况见图4。

    图4地源热泵系统连续运行20年地源工况变化趋势

           通过上图我们可以看出,在地源热泵系统没有考虑热堆积现象的运行过程中,地埋管侧最高进水温度由28.1℃升高至32.4℃,升幅达到15.3%;地埋管侧最低进水温度由2.6℃升高到5.3℃,升幅达到103.8%;而土壤温度由15.8℃升高至17.6℃,升幅达到11.4%。从而不仅导致了大地中温度的积聚和不断升高,同时,严重影响了机组运行效率,夏季平均COP值大概下降20%以上。

           为缓解热堆积现象,可以通过以下三种技术路径:一是采用冷却塔辅助散热,将夏季高出部分的热量,通过冷却塔来释放,从而确保冬夏热平衡;二是采取热回收技术,将多余热量转化为免费制取生活热水,该技术尤其适合于有大量生活热水需求的场合;三是设计时,地埋管系统按照冬季吸热负荷进行设计,供冷部分采取小型单冷冷水机组进行辅助。通过以上三种方案,均能够确保夏季的散热和冬季的吸热保持动态的平衡,从而使得地源热泵系统能够稳定、高效的运行。

           南京该图书馆项目经过专家论证,方案优化以及系统完善,最终结合高校的学生用水情况,利用热泵机组热回收技术,一方面减少夏季向土壤中释放的热量,解决热堆积现象;另一方面提供了学校约2500名学生的生活热水的需求,具有相当高的经济性价值,每年节约热水制取费用约60万元。通过计算机运行模拟,地源工况温度变化情况见图6。

    图6地源热泵系统连续运行20年地源工况变化趋势

           通过上图我们可以看出,在地源热泵系统防止热堆积现象的运行过程中,地埋管侧最高进水温度由28.1℃升高至28.9℃,升幅2.85%;地埋管侧最低进水温度由2.6℃升高到2.8℃;而土壤温度由15.8℃升高至16.2℃,升幅2.53%。系统设计满足机组平稳、高效运行的工况条件,缓解了热堆积现象。

     

     

    结论

           1、地源热泵系统,不仅具有节能、减排和降低污染等特点,而且具有巨大的经济性价值。

           2、在设计地源热泵系统时,如果不解决热/冷堆积现象,则会导致地下土壤恒温带的温度逐年上升或下降,热泵机组的运行工况逐年恶化,长期运行后,将会导致机组不能满足工程需要。

            3、可以通过热回收技术、冷却塔辅助散热或制冷机组辅助供冷等技术手段,控制夏季向土壤侧释放的热量,从而实现地下土壤的热平衡。

     

    参考文献:

          1.  徐伟.地源热泵工程技术指南.中国建筑工业出版社.2001年

          2.  汪训昌.关于发展地源热泵系统的若干思考.暖通空调,2007(3):38-43

          3.  刘宪英,地热源热泵冬夏暖冷联供试验,制冷与空调,2000(2):20-25

          4.  魏唐棣,胡鸣明.地源热泵冬季供暖测试及传热模型,暖通空调,2000 ,No .1

     

    作者介绍:

    * 罗迎宾,男,硕士,南京天加空调设备有限公司,研发中心系统工程师

    梁路军,男,博士,南京天加空调设备有限公司,技术总监

    季柳金,女,硕士,江苏省建筑科学研究院有限公司,工程师

     

    通讯地址:南京市迈皋桥华电工业园内天加公司   研发中心  罗迎宾收

    电话:13814000313       邮编:210028

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