某土壤源热泵系统冷堆积问题分析
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摘要：针对包头市某地源热泵系统冬季运行状况较差的问题，通过对系统评价分析，排除地埋管损毁因素之外，结果表明该系统出现冷堆积现象。针对此问题提出了地源热泵系统的热平衡解决方案。
Abstract:A problem of the winter operation performance of a practical ground source heat pump system in Baotou, based on the analysis of the evaluation system, exclusion of buried pipe damage factors, the results show that the system have a cold accumulation phenomenon.Aiming at this problem, put forward ground source heat pump system heat equilibrium solution.
Keywords: ground-coupled heat pump; heat balance; case analysis; solution
中图分类号：TU831文献标识码：A
0 引言
土壤源热泵是一种利用地下土壤作为热泵低位热源，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现热量从低温位向高温位转移的热泵系统[1]。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。在能源短缺的今天，利用浅层地温能这一清洁可再生的新能源改善环境污染状况日益受到国家和地方政府的重视，近年来相继出台了一系列支持鼓励政策和管理法规，各地政府还财政补贴浅层地温能的开发利用[2]。
但是在实际工程中往往因建筑冷热负荷需求量不等，在一个冷热周期内，土壤源热泵系统从土壤中置换的冷热量也不等。土壤中多储存的冷热量会导致土壤的冷热堆积。随着地源热泵系统连续、长期的运行，如果从地下过多地取热，势必因热量累积效应，造成土壤温度场得不到有效恢复[3]。
在本文中将结合实际工程，对使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差的问题进行探究，提出相应的解决方案，对在设计时采取措施避免或尽量减缓因冷热堆积导致系统运行状况差的问题。
1 项目简介
本项目位于包头市，总建筑面积21350㎡，该建筑为办公使用，建筑楼层为地上三层，屋面高度为43.8米，共10层。由设计院提供数据可知，冬季热负荷为2080KW，热负荷指标为97.4W/㎡；夏季空调冷负荷为1660KW，冷负荷指标为77.8W/㎡。
制冷机房内设置了2台地源热泵机组，单机制冷制为880kW，输入功率为188kW，单机制热制为1075kW，输入功率为258kW。地源侧配置3台循环水泵（两用一备），额定流量和扬程分别为120 m3/h和38m，额定输入功率为55kW；用户侧配置3台循环水泵（两用一备），额定流量和扬程分别为200 m3/h和32m，额定输入功率为55kW。
原设计垂直埋管换热单元420个，钻孔孔径为200~250mm、深100米，间距4.5-5m,采用原浆回填。换热管采用外径为De32的高密度聚乙烯管，单U形布置，具体布置见图1-1。
图1-1 地埋管布置平面图
2 地埋管热平衡计算
2.1 地埋管换热器数量核算
冬夏季节地埋管换热器的换热量可以分别由下述公式计算：
(2-1)
(2-2)
其中 Q1’——夏季向土壤排放的热量(kW)；
Q1——夏季设计总冷负荷(kW)；
Q2’——冬季从土壤吸收的热量(kW)；
Q2——冬季设计总热负荷(kW)；
EER——设计工况下水源热泵机组的能效比；
COP——设计工况下水源热泵机组的供热系数。
考虑到该工程以制热为主，地埋管换热器数量的计算以冬季最不利情况下所需换热量确定。冬季从土壤吸收的热量计算如下：Q2’=2080kW×（1－1÷4.17）=1581.2kW；
根据项目前期勘查测试结果计算冬季最不利情况下所需地埋管换热器长度计算如下：L=1581.2 kW÷38.5W/m=41070m；单U形布置，单孔换热器深100m，则所需地埋管换热器为411空。通过上述核算表明原设计地埋管数量满足使用要求。
2.2 地埋管热平衡核算
在供冷季节，输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节，从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功，输入的热量包括压缩机耗功量和地热换热器循环泵的耗功量[4]。则夏季制冷总放热量Q1’=1660kW×（1＋1÷4.68）=2014.7kW；冬季制热总吸热量Q2’=2080kW×（1－1÷4.17）=1581.2kW。
根据业主实际使用情况得知该系统夏季总共运行90天，每天8小时，冬季总共运行150天，每天8小时，则夏季制冷总放热量计算如下：Qf=2014.7kW×90×8×3600=5.22×1012J；冬季制热总吸热量计算如下：Qs=1581.2kW×150×8×3600=6.83×1012J。由此计算出系统冷热不平衡率高达30.8%，据地源热泵相关文献资料规定，土壤源热泵系统冬夏冷热不平衡率不应大于15%，该土壤源热泵系统出现严重不平衡现象，且无其他辅助加热系统，使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差。
3 热平衡解决方案
3.1热平衡解决方案的选择
由于该土壤源热泵系统全年向土壤的放热量小于吸热量，使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差。当进水温度过低导致热泵机组蒸发器出水温度低于4℃时，机组就会因蒸发温度过低而自动停机保护[5]。针对热泵系统出现的冷堆积现象，本项目采用太阳能集热系统作为补充热源，将系统冷、热不平衡率控制在可接受的范围内，以保障系统的长期有效运行，详见图3-1。
图3-1 太阳能辅助系统图
当集热器温度T1与空调用板式换热器温度T2温差≥10℃时，介质循环泵P1启动，将集热器中热介质与空调用板式换热器中的冷介质换热；当两者温差≤4℃时，循环泵P1停止；当集热器温度T1＞95℃，且集热水箱温度T3＞85℃时，介质循环泵P1不启动，集热循环管道中的介质受热膨胀，膨胀量挤向膨胀罐中；当集热循环管道内的压力大于安全泄压阀设定压力时，安全阀自动打开，排出膨胀多余的介质；
冬季运行：V1、V2、V3、V4开启，同时关闭生活热水板式换热器，打开空调热水板式换热器，太阳能系统与空调系统同时运行。夏季运行：V3、V4关闭，V1、V2开启，同时打开生活热水板式换热器，关闭生活热水板式换热器。过渡季节蓄热运行：V3、V4开启，V1、V2关闭，空调系统不运行，太阳能系统向土壤侧蓄热运行。