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如何解决地源热泵埋管系统的热平衡?

文章出处:   责任编辑:   发布时间:2016-12-06 15:43:49    点击数:-   【

问:如何解决地源热泵埋管系统的热平衡?地源热泵系统在使用地区不同,冷热负荷差异比较大,而引起系统排热和吸热量不等。在使用几年后,地埋系统出水温度会与设计偏离,有什么办法可以解决?

答:地埋管设计的本质是控制热泵机组水源侧回水温度,满足热泵机组节能的条件。正确计算的前提之一是做热响应测试,测试土壤的热物性,其次是利用相关软件计算。解决地埋管系统热平衡的本质也是为了控制热泵机组水源侧回水温度,只是前者着眼现在,后者着眼在未来。地埋管要根据房间面积、群集系数和散热系数等多个条件算起,相当复杂,且也不那么的准确,最好是根据经验估算,材料浪费是在所难免的。

正确的设计过程为:冷热负荷计算,热物性测试,埋管量计算,热平衡计算,每一部都需要专用软件,故比较复杂。

网友意见:

地源热泵归根结底是把大地用作储能设备,所谓的制冷机组系统可以类比作能量泵,即夏季由能量泵将热量储存到地下,冬季由能量泵江夏季储存的热量提取出来采暖!这样理解即出现了焦点问题:储存的热量和提取的热量之间如何实现平衡?就国内而言,由于纬度位置的关系,全部属于夏季储存的热量一定大于冬季提取的热量的正值区域(即便是北方地区),也就是需要解决多存储到地下的热量!否则就将产生地源热泵系统的运行效果逐年下降!

据此,努力的方向或者研究的目的就是:1、各种不同的土质以及土质不同含水量的蓄热能力、导热性能!据此确定满足冬季采暖需求所需要的蓄热土壤容积,也就确定了地源盘管;2、夏季将用于冬季采暖用的热量储存到地下后导致的土壤温度变化以及相逆过程(冬季采暖从土壤中取热导致的土壤温度的变化),同事这种变化对地下土壤造成的影响的定性、定量研究(国内目前地源热泵忽略这部分的研究,基本盲目地在攫取地下储热功能);3、夏季冷负荷中扣除1中储存于土壤中用于冬季采暖部分的热量的余值即是需要另辟蹊径解决的排放问题!目前而言,冷却塔是首选,由上述差值作为选型依据!

这样的设计思路:1、解决了土壤作为蓄热设备的蓄热、供热的平衡,对于地质没有影响,对于系统保持平稳的运行状态,提供持续平稳的空调、采暖效果;2、虽然仍配置冷却塔,但冷却塔已经减小了好多,降低了空调系统对大气环境的影响!

因此,地源热泵系统未来的研究相信将集中在各种土质土壤以及各种土质土壤不同含水量情况下的蓄热能力、导热性能的研究!虽然这些数据理论上应为定值,但一是需要试验得出数据,二是需要实践检验数据的准确性,然后才是具体的实际应用!

行业可持续发展,空调可持续稳定提供空调效果,这是基本原则!只是利益 成本迷离了行业内的有志于此的从业者的眼睛!也许只有等到大地发怒的那天可怜的我们才有机会站上真正研发这些的舞台!

常见的几种解决方法:

由于我国南北方气候差别很大,北方寒冷,冬季负荷远大于夏季负荷;相反南方炎热,夏季负荷远大于冬季负荷,所以在我国部分地区单一的使用地埋管地源热泵系统,会导致土壤的冬夏季不平衡性从而影响土壤热环境。合理地设置土壤热泵辅助系统不仅可以解决土壤热平衡问题,甚至可以额外节约能耗或节省安装运行费用

1.冷却塔补偿系统

对于南方地区,夏季炎热冬季暖和则系统运行时必然导致夏季排放的热量远大于冬季吸收的热量。系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升,使热泵机组制冷效率严重降低。建立冷却塔地埋管地源热泵混合系统(见图1),使夏季冷凝放热一部分埋入地下,以备冬用,一部分通过冷却塔释放冷凝热量,这一系统适用于夏季负荷高于冬季负荷的长江中下游地区。夏季通过埋地换热器释放给土壤的热量与冬季从土壤的取热基本持平,从而获得土壤热平衡。

该混合系统的初投资增加了冷却塔系统的费用,但由于减少了埋地换热器的面积,整个初投资费用不一定增加(视施工区域地质情况而定)。运行费用增加了冷却塔的运行费用,但从整个系统的总能耗来分析,系统运行的费用不一定比单一的地埋管地源热泵系统运行费用高(视冷却塔配置量而定)。

2.太阳能辅助系统

与南方地区相反,北方地区特别是东北地区,冬季寒冷,夏季温和,其冬季负荷远大于夏季负荷,则热泵长期连续运行后,由于吸收的热量远大于夏季排放的热量,必然会导致土壤的温度降低,从而造成冬季埋管换热器的进、出水温度较低,地埋管地源热泵机组循环性能提高受到限制。增加太阳能系统作为地埋管地源热泵辅助热源的措施,不仅有助于改善系统运行工况,降低系统总投资,同时可以调节土壤热平衡。

我们采用图2所示的太阳能辅助加热器,使得冬季热泵吸收的热量一部分来自太阳能。太阳能是人类可利用的、安全、无污染、可再生、最丰富的免费能源,利用太阳能作为辅助能源,是解决寒冷地区土壤热平衡的较好方法之一。

3.热水回收系统

电热水器用来加热热水所需的能量全部来自电能,其能耗太高;传统的燃气热水器会随着燃气价格上涨趋势而增加使用费。热回收技术是通过换热器回收制冷机产生的冷凝热,用于加热生活用水的一项节能环保技术。热回收技术不仅充分利用制冷系统的废热,减少了排放至环境的废热,代替传统的热水供应技术,同时由于使得进入土壤的排热减少,是土壤热平衡解决方法之一。

4.废热辅助地耦系统

在寒冷地区,如果有条件,冬季可以利用生产生活废热和污水处理废热来辅助地埋管地源热泵系统。该混合系统实现了能源的可持续发展,将生产生活中的废热很好地利用起来,对于改善城市环境、节约能源具有重要意义;同时改善了土壤的热平衡问题,提高了地埋管地源热泵效率,使其可以长期、持续、稳定的运行。

5.其他

为解决土壤热平衡问题,我们还可以优化埋地换热器设计时,适当加大埋管间距,以减缓土壤温度的升高或降低,增加地埋管地源热泵的使用年限。另外,亦可在系统后期运行方面加以管理,间歇运行地源热泵系统,以期地下土壤温度场的恢复和平衡,改善地埋管地源热泵系统运行工况。

结语

综上所述,在寒冷地区、夏热冬冷地区,地埋管地源热泵系统均可以良好的应用。为了更好地解决地源热泵系统热平衡问题,对于南方地区可以加冷却塔,而对于冬天温度相对冷的北方可以加太阳能辅助器,用生产生活的废热或污水处理产生的废热来做辅助设备,增加热回收器,以实现能源的可持续利用。另外还可以把热泵系统在夏季产生的废热用在其它加热设备上以减少用户的开支,同时也实现了节能。这些措施将会使地埋管地源热泵系统在节能、环境保护和高效方面体现更大的优势,从而推动地埋管地源热泵系统进一步推广应用。