混合式土壤源热泵应用分析

 土壤源热泵利用地下土壤温度相对稳定的特性, 不需要任何人工热源, 通过深埋于建筑物周围的管路系统, 冬季从土壤中取热, 向建筑物供暖, 夏季向土壤排热, 为建筑物制冷。基于这种无可比拟的优点, 被称为未来的“绿色空调技术” 。虽然优势是明显的, 但是考虑到我国不同地区的地理环境和气候条件不同, 如果利用不当, 其优势就未必能得到很好的发挥。例如在东北, 冬天建筑内的热负荷远远超出了夏天的冷负荷, 如果采用土壤源热泵冬夏兼用, 就会产生这样一个问题:冬天从土壤中提取的热量大于夏天向土壤中排放的热量, 随着时间的推移势必会影响地埋管周围土壤温度场的恢复,将会使土壤源热泵的COP 不断下降, 进而影响到它的有效利用。在华南, 情况则相反, 夏天建筑的总冷负荷远远大于冬天的总热负荷。另外一些特殊用途的建筑(在一年里并不是一直使用), 如学校, 由于暑假的存在, 夏天大部分时间不需空调, 这必然导致夏天的总冷负荷小于冬天的总热负荷。

 

  这就提出一个问题:如何在这样一些地区, 通过什么样的方式使土壤源热泵发挥其最大的功效? 将土壤源热泵与其他形式的吸热(散热)设备相结合,即采用混合式土壤源热泵, 取长补短, 弥补单独采用土壤源热泵在这些地方的缺点, 使其优越的性能得到极大的发挥。

 

  国外从20 世纪90 年代起开始此方面的研究。

 

  Andrew s 等人提出太阳能与土壤源热泵混合运行的设想;Andrew D .Chiasson 和Cenk Yavuzturk则对太阳能与土壤源混合式热泵的运行情况和经济性进行模拟计算分析;Stephen P .Kavanaug h对冷却塔与土壤源混合式热泵进行设计方面的研究和探讨[ 3] ;Yavuzturk 和Khan 等人则是在冷却塔与土壤源混合式热泵的不同的设备组合方式和运行策略方面进行模拟比较分析[ 4] , 并且这些方式已被很多工程所采用。国内在这方面的研究投入不是很多。目前哈工大和青岛建工在太阳能与土壤源混合式热泵方面进行了运行模拟研究[ 5-6] 。

 

  在冷却塔与土壤源混合式热泵方面, 宁波市鄞州区的科技中心综合楼即是采用此系统, 取得了不错的节能经济效应[ 7] 。笔者将对混合式土壤源热泵的组成结构、应用方式及控制策略进行分析与探讨。

 

  1  冬季热负荷大于夏季冷负荷建筑的适用方式在这些建筑中, 土壤源地埋管的容量以夏季冷负荷作为设定标准, 因而冬天供热的解决方式就是在地埋管铺设的基础上设立辅助加热设施, 以补充建筑所需热量与土壤源热泵所供热量之差。辅助加热方案可以采用传统的热源如锅炉或利用城市热网供热水, 但从节约能源和保护环境方面考虑,太阳能集热蓄热设备作为辅助加热设施是首选方式, 故笔者主要讨论此种方式。其主要组成结构包括太阳能集热系统、土壤源地下埋管循环系统和热泵循环系统。太阳能与土壤源的组合方式可分为两种,一种是串联式;一种是并联式。

 

  1 .1  太阳能集热器直接供热

 

  当室外温度不是很低, 而太阳辐射又足够强时, 通过蓄热槽的水温已经达到设定温度T 1 , 即达到供暖用最低温度要求, 则直接采用此循环水进行供热。当热量有多余时, 则会蓄存于蓄热槽中。

 

  1 .2  太阳能热泵供热

 

  当室外温度比较低, 而太阳辐射所能供应的热量不足时, 即在通过太阳能蓄热槽的水温低于设定温度T1 , 而又高于热泵开启的低限温度T2 时, 则开启热泵机组, 利用太阳能作为低位热源, 进行热泵供热。

 

  1 .3  太阳能蓄热槽直接供热

 

  当室外温度不是很低, 太阳辐射又比较弱时,而蓄热槽内水温达到设定温度T3 时(T3 由维持热泵供热连续运行一小时的所需热量换算出), 且通过蓄热槽的出水温度高于T 1 时, 利用蓄热槽蓄存的热量进行供热。

 

  1 .4  太阳能蓄热槽作为低位热源, 热泵供热在以上情况下环境继续变坏, 所采取的直接供热方式已无法满足建筑物供热的需求, 即通过蓄热槽的水温低于T 1 , 而又高于T2 时, 则开启热泵,进行热泵供热。

 

  1 .5  太阳能-土壤源热泵联合供热

 

  分两种情况:一种是在(1 .4 节)的情况下, 太阳能集热器不能提供热量, 但是蓄热槽水温高于T 3 , 当蓄热槽的出水温度低于T2 时, 用于热泵供热已不能达到室内温湿度要求;另一种是在(1 .2节)的情况下, 太阳能集热器能提供热量, 但是通过蓄热槽的水温低于T2 时, 太阳能热泵供热已经无法满足不断增大的热负荷的情况下, 开启土壤源地下埋管系统, 进行联合供热。

 

  1 .6  土壤源热泵单独供热

 

  在太阳很弱或阴雨天气时, 太阳能集热器无法吸收太阳能热量, 而蓄热槽已无热量可提供的情况下, 即蓄热槽内水温低于设定温度T4 , 且通过蓄热槽的出水温度低于T2 时, 采用土壤源热泵单独供热。

 

  以上几种工况两种连接方式都能实现, 只是实现的条件有所变化而已。如在采用并联连接方式时, 其设定温度T1 必须考虑到通过蓄热槽的水流量, 因为此时流量并非总流量, 一旦直接采用太阳能供热, 则最后的供水温度肯定会有所降低, 因此设定温度T 1 应略高于串连方式。其他设定温度也应该有相应的不同。另外并不是每个这样的系统都要采用以上所述的六种工况进行设计, 例如在东北寒冷的冬季, 因为太阳能是作为辅助的热源,容量有限, 而外界温度又比较低, 可能第一种工况(太阳能直接供热)和第三种工况(太阳能蓄热槽直接供热)基本上不能实现, 这样在设计时可不考虑这些工况, 减少控制的复杂性, 提高运行的可靠性。

 

  必须指出的是, 在太阳能所能保证的供热量较少或者供应时间较分散的地区, 太阳能能量输出较多的时候一般室内的负荷相对较小, 因此可以利用低负荷时多余的太阳能能量填补在夜间或无太阳时的高负荷之需。增加土壤源热泵的开启时间, 而太阳能集热器采集的热量则主要用于蓄热, 以备高负荷时使用。这时蓄热槽的容量大小选择就显得非常重要, 可根据当地历年的气象资料, 得出一个典型的连续无太阳日的天数, 而蓄热槽大小则按照能为这些天里提供所需的补充热量为依据进行确定, 选择的工况可定为:太阳能用于蓄热, 平时只采用土壤源热泵运行。当地埋管的出水温度低于设定温度T4 时, 则开启蓄热槽与土壤源热泵联合供热;另外一种运行情况是:在蓄热槽热量蓄满的情况下, 如太阳能集热器仍能继续提供热量, 则可在保证蓄热槽内温度稳定于T5 的条件下, 利用太阳能直接或者与土壤源热泵联合供热。

 

  在夏季供冷情况下, 以上系统只需开启土壤源热泵系统运行, 即可满足建筑物的空调冷量需求。

 

  另外在条件允许的情况下, 太阳能集热器可以开启, 将蓄热槽蓄积的热量作为家用生活用水的热源。这样既为用户提供方便, 节省热水器方面的投资, 又充分利用太阳能资源。

 

  2  夏季冷负荷大于冬季热负荷建筑的适用方式在这种情况下, 土壤源地埋管的热容量是以建筑物的热负荷作为设计基础。夏季供冷时的解决方式就是另外设立附加的散热设施。笔者主要讨论冷却塔与土壤源热泵相结合的方式。其组成结构一般包括冷却塔、土壤源地埋管循环系统和热泵循环系统。组合方式分串联式(图3)和并联式(图4)。

 

  2 .1  土壤源热泵单独运行

 

  在一般负荷情况下, 如果热泵机组冷凝器进水

 

  温度(或出水温度)与室外湿球温度的差值小于设定值ΔT1 , 且室外干球温度在T6 和T7 之间, 只需土壤源热泵单独运行即可满足室内要求(T6 >T7)。

 

  2 .2  冷却塔-土壤源热泵联合运行

 

  热泵机组冷凝器进水温度(或出水温度)与室外湿球温度差值大于设定值ΔT2 , 且室外干球温度大于T 6 时, 则开启冷却塔, 与土壤源热泵联合运行。

 

  2 .3  冷却塔单独运行

 

  此种情况适合于外界温度比较低, 但是建筑仍需供冷的情况, 当热泵机组冷凝器出水温度(或进水温度)与室外湿球温度的差值大于设定值ΔT2时, 且室外干球温度小于T7 时, 则只开启冷却塔运行。

 

  由于只存在三个工况, 因此运行控制不会很复杂, 不过转换运行工况还有其他一些判断方法, 比如在实际工程中, 常采用通过比较埋管周围土壤实时温度(或者是较长时间的温度采样平均值)与在机组开机前埋管周围土壤温度的比较差值, 当达到设定值ΔT 3 时, 则开启冷却塔, 以缓解埋管的排热压力。还有直接比较热泵机组冷凝侧的出水温度(或进水温度)与设定温度T8 和T 9(T8 >T 9), 如果大于T8 , 则开启冷却塔;联合运行时, 如果低于T9 , 则关闭冷却塔, 只采用土壤源热泵单独运行。

 

  另外在文献中有一种运行控制方法, 即在一年中固定冷却塔的运行时间。这些方案虽然使控制变得简单, 但是不能很好地将实时的设备运行状况与室外环境相适应, 从而导致土壤源热泵应有的节能效果得不到发挥。

 

  根据文献可以知道, 作为土壤源热泵, 一天最佳使用时间应该在10 小时以下, 这样才有利于温度场的恢复, 以满足热泵周期性使用的需要。因此, 对于需要较长时间提供空调的地方, 早晚时间段的冷负荷一般会比设计负荷小很多, 可以考虑此时仅使用冷却塔供冷, 而在中间时段负荷逐渐变大时再开始使用土壤源热泵, 这样既充分利用环境的特点, 又使土壤温度场得到较好的恢复, 稳定高效的为空调服务。

 

  另外, 在利用冷却塔辅助土壤源热泵的系统中, 还可以充分利用蓄冷的优点, 采用冻土蓄冷与其结合, 这样既可减少纯粹蓄冷空调系统需要的投资和占地面积, 又能减少夏天空调传入地下的散热量, 起到平衡冬夏土壤温度场的作用。其中地埋管就扮演着很重要的角色:在白天, 作为空调的放热场所, 而到了晚上则将土壤中的热量搬到冷却塔中释放, 成为蓄积冷量的场所。用晚上廉价的电将白天土壤吸收的热量转移到空气中, 既减少系统平时的运行费用, 又利于土壤源热泵在稳定的土壤温度场下常年高效地运行。

 

  根据文献研究的结果, 根据冻土蓄冷的特点, 在一天里, 其出水温度是随着时间的推移逐渐升高的, 因而从土壤中获取的冷量也随之不断减少, 而建筑物的最大冷负荷一般是出现在空调供冷的下半段时间, 这样就会影响到土壤源热泵的工作效率。笔者认为:可以对地埋管的供水量进行变水量运行, 在地埋管供回水之间加上旁通管, 根据负荷要求来调节进入地埋管的冷却水量, 使进入热泵机组的冷却水温度维持稳定, 或者直接采用变频泵变速, 改变冷却水流量, 进而调节冷却水从土壤中获取的冷量, 以满足不同时刻的空调需求。

 

  在太阳能-土壤源的混合式热泵与冷却塔-土

 

  壤源混合式热泵中, 其两种连接方式的可能运行工况都一样, 不过相比较而言, 串联方式比较简单, 容易保证冷热供水侧的流量基本不变, 而并联方式在不同运行工况下进入埋管和太阳能蓄热槽、冷却塔的流量会发生变化。在调节方面, 并联式较之串联式复杂, 但是其运行效果更好。因此在选择连接方式时应仔细权衡考虑。

 

  3  结束语

 

  1)对于冷热负荷差别较大的建筑, 混合式土壤源热泵在经济性和可靠性方面都较单独的土壤源热泵好。在我国很多地区都有这种类型的建筑,因此混合式土壤源热泵的发展前景非常广阔。

 

  2)混合式土壤源热泵由于涉及的设备和工况较多, 之间耦合可能会比较严重, 这就对控制策略方面提出更高的要求, 今后在这方面应该多进行研究探讨, 得出更有效的控制方案, 使混合式土壤源热泵发挥出更好的效果。

 

  3)混合式土壤源热泵土壤源埋管与辅助设备的容量匹配方面需进一步探讨, 辅助设备容量与其运行时间是成反比的, 因此探讨最佳的匹配关系对于设计方式的经济性与高效性具有重要的意义。

 

  4)在混合式土壤源热泵可以进行更多结合方式的研究探讨。根据不同的地理环境和当时条件选择不同的辅助吸、散热设备, 使系统的可持续性、可行性及经济性达到最佳。