复合式土壤源热泵系统研究过程

 太阳能—土壤源热泵系统

 

  太阳能—土壤源热泵系统( Solar-groundsource heat pump system，SGSHPS) 是一种利用可再生能源的高效节能、环保型的空调系统。虽然土壤源热泵和太阳能热泵有很多优势，但同时也都存在一些缺陷。在寒冷地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，单独利用土壤源热泵系统，会造成冬季取热量大于夏季排热量，造成土壤温度逐年降低，影响热泵的运行效率。由于太阳能具有能流密度低、间歇性及不稳定性等缺点，当单独使用太阳能热泵进行供热时，需要配置很大的集热器面积和水箱容量，使太阳能热泵总体的造价偏高［25］。太阳能—土壤源热泵系统则克服单独利用土壤源热泵系统和太阳能热泵系统能效低等缺陷，提高热泵系统的整体性能。采用太阳能集热器辅助热源供热时，机组的蒸发温度提高，使得热泵机组压缩机的耗电量减少，节省运行费用。在系统设计时，使地源热泵系统可以按照夏季工况进行设计，从而减小地下换热器的容量，降低地源热泵地下埋管部分的投资。

 

  串联式太阳能—土壤源热泵系统［35 － 37］图1 所示的为串联式太阳能—土壤源热泵系统。此系统中的太阳能集热器采集到热量并储存于蓄热水箱中，然后蓄热水箱的热水通过板式换热器与机组蒸发器换热，以此提高蒸发器的蒸发温度，从而提高整个热泵系统的COP 值。或者，将蓄热水箱的热水直接通入集水器，再进入蒸发器。同时，蓄热水箱可以作为日常所需的生活用水。

 

  图1 串联式太阳能—土壤源热泵系统

 

  在冬天，阳光强度较低，太阳能集热器采集的热量可能会使图1 中蓄热水箱的热水达不到所需要的温度，进而不能满足房间供热的需要。这时，可考虑将蓄热水箱与热泵串联，通过集水器与室外侧换热器( 蒸发器) 换热，作为提高土壤源热泵蒸发器蒸发温度的辅助热源。从图1 可看出，随着蒸发器入口水温的升高，系统COP 值增加迅速，远高于单独的太阳能或土壤源热泵系统。串联系统可以将热量传给土壤，有利于土壤温度场恢复，改善冷堆积引起的系统性能降低的问题，同时使建筑物冷热联供的运行成本大大降低。

 

  并联式太阳能—土壤源热泵系统图2 所示的为并联式太阳能—土壤源热泵系统。该系统实际上是由常规的土壤源热泵系统和太阳能系统并联组成的，将土壤源热泵系统和太阳能系统交替使用。当太阳能供热系统中集热器内水的温度较低，不能满足建筑物需求( 如阴天或夜间) 时，则可采用土壤源热泵系统供热。当太阳能集热器内水的温度较高时，可将集热器的热量转移到地下贮存，这样可以较快地恢复土壤的温度场，同时，还可提高集热效率。并联系统主要用于地下土壤温度高于15℃的地区，太阳能只起辅助作用，土壤源热泵系统是以地下土壤为冷热源的储存体，夏天蓄热冬天取热，即夏热冬用、冬冷夏用。

 

  太阳能集热器所采集的热量可直接进入空调房间供暖，也可将其中一部分作为日常生活热水。

 

  并联系统的特点就是不能互补或替换，总能量为太阳能和土壤源热泵系统能量的总和，两个热泵系统相对独立。虽然并联系统没有将太阳能集热器采集的热量转移到土壤进行储存，但是它通过将太阳能集热器采集的热量直接供给建筑物，减少了从土壤中的取热量，也减少了冷堆积的问题，从而改善换热器的取热环境，提高系统运行性能。

 

  混联式太阳能—土壤源热泵系统

 

  图3 所示的为太阳能—土壤源热泵混联系统。从图3 可看出，混联系统要比串联系统和并联系统复杂得多，设备的初投资会较大，成本回收周期会相对较长，同时对运行时的控制策略要求就更高。但混联式系统可在夏季和冬季提供生活热水，除了具有串联系统和并联系统的所有优点之外，设备利用率也会更高，在控制策略适当的情况下，节能效果相比较串联系统和并联系统更加明显。同时，也使得混联系统的运行方式更加灵活，可以适应比较复杂气候条件的变化，适应能力更强。

 

  冷却塔—土壤源热泵系统

 

  对于夏热冬冷地区，大多数建筑存在夏季冷负荷大于冬季热负荷的现状，单独土壤源热泵系统在该地区使用会导致土壤温度的持续上升，会使系统性能下降，不仅初投资加大，运行费用也会逐年升高。为此，采用辅助散热设备的混合式土壤源热泵系统应运而生，而辅助散热设备多采用冷却塔。所有的研究都不同程度地表明，在大型商业和办公建筑中，冷却塔—土壤源热泵系统( Cooling-tower-ground source heat pump system，CGSHPS) 在初投资、运行能耗及机组循环性能等方面具有更大的可行性和优越性，在气候较为温暖的地区则更为明显。

 

  串联式冷却塔—土壤源热泵系统图4 所示的为串联式冷却塔—土壤源热泵系统。串联式冷却塔—土壤源热泵系统在热泵机组侧设置分水器，通过分水器来设置分别流入旁通环路和冷却塔的循环水量。当同时运行冷却塔和竖直埋管换热器时，旁通环路水流量为零，冷却水依次流经冷却塔和板式换热器，换热后流回热泵机组; 当冷却塔不运行时，冷却水从旁通环路流经板式换热器，换热后流回热泵机组。热泵机组出口水流量大，冷却水在整个系统中长期循环流动容易生成污垢，而土壤换热器U 型管管径较小，直接流入会堵塞U 型管，不利于系统的长期运行，在土壤换热器端设置板式换热器可以有效地解决这个问题。

 

  图4 串联式冷却塔—土壤源热泵系统

 

  串联式冷却塔—土壤源热泵系统结构简单，系统水流量基本恒定不变，可以实现埋管作为冷却源单独运行和埋管与冷却塔同时作为冷却源运行两种工况，不能实现冷却塔单独运行这种工况，控制策略也较为简单。

 

  并联式冷却塔—土壤源热泵系统并联式冷却塔—土壤源热泵系统要比串联系统复杂一些，见图5。在并联系统中，冷却塔及土壤埋管换热器分别与热泵机组组成循环环路，两环路中的冷却水流量通过在热泵机组侧设置分水器进行分流。两环路可单独与热泵机组组成循环环路，也可同时运行，通过集水器将两循环环路冷却水合并再流入热泵机组。在并联系统运行当中，控制冷却塔与地埋管排热比例是通过控制二者冷却水的水流量来实现的。在运行时，还要注意冷却塔与地埋管的水力平衡问题。并联形式的地埋管运行时相对独立，也就是实现冬、夏季使用时地埋管的水流量大致相同。

 

  运行策略上，在冷负荷较小而室外环境的湿球温度较低时，即冷却塔的冷却效果较好时，可独立使用冷却塔，特别是在供冷季节的初期和末期，地埋管周围岩土的温度有一定的上升，此时地埋管的换热效果已经下降，而供冷末期室外环境温度较低，是使用冷却塔效果较好的时候。并联系统能够独立运用冷却塔，系统运行效果就较好。

 

  冷却塔与土壤换热器并联的复合式土壤源热泵系统可减少系统初投资，冷却塔承担负荷比率越大，系统初投资越少。在运行费用［30］方面，随着冷却塔承担负荷比率的增大，系统运行费用增大。对环境的影响方面，土壤换热器承担负荷越大，环境效益越高。在设计并联式冷却塔—土壤源热泵系统时，要综合考虑当地的气候条件和地理环境，设计合理的负荷比例，在各种比例配置下对城市热岛效益的影响，还要考虑初投资及运行费用等因素，这样才能使并联式冷却塔—土壤源热泵系统真正达到节能的效果。