利用太陽能解決地源熱泵冷堆積問題初探

文｜ 北京勘察設(shè)計研究院有限公司 魏俊輝

1 引言

地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的高效、節(jié)能、環(huán)保型的能源利用技術(shù)。使用地源熱泵，只需輸入少量的高品位電能，即可實現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。冬季，它把地能中的低品位能“取”出，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季則把室內(nèi)的熱量“取”出，釋放到地能中去。

但是，地源熱泵系統(tǒng)存在土壤溫度場的恢復(fù)問題。在冬季運行期間，地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的吸熱主要依靠埋管換熱器內(nèi)流體與周圍固體介質(zhì)之間的換熱來實現(xiàn)，這一過程同時伴隨著地下埋管周圍介質(zhì)溫度的降低。隨著地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)、長期的運行，如果從地下過多地取熱，勢必因熱量累積效應(yīng)，造成土壤溫度場得不到有效恢復(fù)。這將直接影響地下埋管換熱器的換熱性能，進(jìn)而影響熱泵系統(tǒng)的制熱效率（COP）。

我國地域遼闊，很多地區(qū)全年冷、熱負(fù)荷差異較大，導(dǎo)致許多地源熱泵項目全年取、放熱量不均。另外，有些項目也因自身的特殊性，存在全年取、放熱量差異較大的問題。這些項目僅靠地源熱泵系統(tǒng)冬、夏季運行，無法保證地埋管換熱器區(qū)域巖土體冷、熱平衡，系統(tǒng)的運行存在諸多隱患。

為使常年取熱量大于放熱量的地源熱泵系統(tǒng)長期、高效運行，可以采用太陽能回灌填補土壤熱量損失的方法。該措施具有巨大的優(yōu)勢：太陽能是一種潔凈的可再生能源，有著常規(guī)礦物燃料無可比擬的優(yōu)越性，是地源熱泵系統(tǒng)較為理想的輔助熱源；我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上的地區(qū)年日照時數(shù)大于2000h，年日照量在5×106kJ/m2以上。

由于太陽能存在兩個主要缺點，即能流密度低和強度受各種因素（季節(jié)、地點和氣候等）的影響不能保持為常量，單獨利用太陽能對建筑物進(jìn)行供暖一般很難滿足要求，尤其是在寒冷地區(qū)。所以，將熱泵技術(shù)和太陽能利用結(jié)合起來，使用太陽能為地埋管系統(tǒng)補熱，既可以利用土壤的蓄熱特性實現(xiàn)太陽能的跨季節(jié)蓄熱，又可以保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)的正常運行，更大范圍地應(yīng)用可再生能源，具有廣闊的發(fā)展前景。下面，就結(jié)合一個工程實例來介紹利用太陽能回灌填補土壤熱量損失的方式。

2 工程概況

某地源熱泵項目，位于河北省廊坊市，建筑面積為20016.84m2，其中辦公面積為4975.6m2，廠房面積為15041.24m2。根據(jù)業(yè)主要求，冬季需為辦公區(qū)域和廠房區(qū)域供暖，辦公區(qū)域室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃，廠房區(qū)域室內(nèi)設(shè)計溫度為10℃；夏季僅需對辦公區(qū)域進(jìn)行空調(diào)制冷，室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃。

經(jīng)過計算，該項目的夏季空調(diào)冷負(fù)荷綜合最大值為400kW，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷為1255kW。

3 空調(diào)方案

3.1 方案說明

本項目集中設(shè)置冷、熱源，采用垂直埋管地源熱泵與太陽能綜合應(yīng)用系統(tǒng)。考慮到本項目冷、熱負(fù)荷相差較大，地源熱泵運行會存在冷、熱不平衡，采用太陽能集熱系統(tǒng)作為補充熱源，將系統(tǒng)冷、熱不平衡率控制在可接受的范圍內(nèi)，以保障系統(tǒng)的長期有效運行。非采暖季，太陽能得熱回灌地下以補償采暖季取熱過多導(dǎo)致的土壤冷、熱不平衡。

圖1為本項目方案流程示意圖。

（1）采暖季的方案流程為：

◆空調(diào)采暖用地源熱泵機組GHP1、GHP2、GHP3全部運行制熱；

◆閥門V1、V3、V5、V7手動關(guān)閉；

◆閥門 V2、V4、V6、V8、V11、V12 開啟；

◆地埋管循環(huán)泵B11、B21開啟；

◆空調(diào)末端循環(huán)泵B12、B22開啟。

（2）制冷季的方案流程為：

◆空調(diào)采暖用地源熱泵機組GHP1運行制冷；

◆閥門V2、V4、V6、V8手動關(guān)閉；

◆閥門V1、V3、V5、V7開啟；

◆地埋管循環(huán)泵B11開啟；

◆空調(diào)末端循環(huán)泵B12開啟；

◆空調(diào)采暖用地源熱泵機組GHP2、GHP3停止；

◆閥門V11、V12手動關(guān)閉；

◆地埋管循環(huán)泵B21關(guān)閉；

◆空調(diào)末端循環(huán)泵B22關(guān)閉；

◆閥門V9、V10手動開啟；

◆集熱系統(tǒng)一次泵、二次泵B31、B32開啟，將太陽能得熱儲存在豎井群中。

（3）春秋季的方案流程為：

◆空調(diào)采暖用地源熱泵機組GHP1、GHP2、GHP3全部關(guān)閉，停止工作；

◆閥 門 V1、V3、V5、V7、V2、V4、V6、V8、V11、V12手動關(guān)閉；

◆地埋管循環(huán)泵B11、B21關(guān)閉；

◆空調(diào)末端循環(huán)泵B12、B22關(guān)閉；

◆閥門V9、V10手動開啟；

◆集熱系統(tǒng)一次泵、二次泵B31、B32開啟，將太陽能得熱儲存在豎井群中。

3.2 主機選型

由于該建筑末端要求溫度在50℃～55℃，所以選擇三臺克萊門特公司的高溫螺桿式水地源熱泵機組PSRHH-1702，用于采暖、制冷。PSRHH-1702的具體參數(shù)如表1所示（其中制熱工況下熱水進(jìn)出水溫度為50/55℃，地下進(jìn)出水溫度為10/5℃；制冷工況下冷水進(jìn)出水溫度為12/7℃，地下進(jìn)出水溫度為25/30℃）。

3.3 地埋管換熱器設(shè)計

根據(jù)冬季從土壤中取熱的量確定土壤換熱器的孔數(shù)，取最不利情況下的計算結(jié)果作為依據(jù)。

表1 PSRHH-1702實用地埋工況參數(shù)表

3.3.1 埋管形式

土壤熱泵的地下埋管形式有豎直埋管和水平埋管兩種。本工程采用豎直埋管的形式，使用雙U型管——如此可在換熱效果相同的情況下，較采用同樣豎直埋管的單U型管方案減少20%的打孔數(shù)量。采用熱熔焊接制作成型的雙U型管，可增強管道的傳熱能力，且管路接頭少，承壓能力強，不易泄漏。

根據(jù)本工程特點，土壤換熱器采用HDPE100雙U型埋管方式。HDPE100的管徑為32mm，壁厚3mm，鉆孔直徑為150mm。考慮到井與井之間相互熱干擾的影響，確定埋管間距為5m×5m。鉆孔深度暫且定為100m。

3.3.2 管路計算

經(jīng)計算，確定總井?dāng)?shù)為300孔，其中200孔用于蓄熱。為了防止夏季蓄熱孔干擾地源熱泵系統(tǒng)的制冷運行，蓄熱孔與地埋管孔群之間留有足夠的距離。

3.4 冷熱平衡分析

空調(diào)設(shè)計日逐時熱負(fù)荷、冷負(fù)荷如圖2、圖3所示。

圖2 空調(diào)設(shè)計日逐時熱負(fù)荷圖

圖3 空調(diào)設(shè)計日逐時冷負(fù)荷圖

負(fù)荷平衡情況如表2所示。

該系統(tǒng)全年累計耗冷量為1.774×109kJ，全年累計耗熱量為5.706×109kJ，垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤中排熱2.129×109kJ，從土壤中取熱4.755×109kJ，全年不平衡量為2.626×109kJ，全年不平衡率為55%。

3.5 太陽能集熱面積計算

該項目位于河北省廊坊地區(qū)。廊坊地區(qū)位于河北省的中部，緊鄰北京，年日照時數(shù)為3000～3200小時，水平面上的年太陽輻照量為5400～6700MJ/m2，屬于太陽能資源較豐富的地區(qū)，較適宜利用太陽能。

3.5.1 太陽能集熱器的形式

太陽能集熱器統(tǒng)一放置在屋面上，朝向正南，安裝傾角為30°。采用強制循環(huán)間接式非承壓系統(tǒng)，以水為集熱循環(huán)介質(zhì)。

3.5.2 氣象參數(shù)

與太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的該地區(qū)氣象參數(shù)如表3所示。

該系統(tǒng)4—10月利用太陽能蓄熱，因此計算得到每平方米集熱器年太陽總照射量為4.229×106kJ。考慮太陽能的集熱效率，經(jīng)過計算可知，每平方米集熱器利用太陽能年蓄熱量為1.184×106kJ。

3.5.3 計算太陽能集熱面積

經(jīng)計算，需增加太陽能集熱器的面積為2000m2。如此，垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤中排熱4.497×109kJ，從土壤中取熱4.755×109kJ，全年不平衡量為0.258×109kJ，全年不平衡率為5.4%，在可接受的范圍內(nèi)。由此可見，將太陽能集熱系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，使系統(tǒng)全年不平衡率降低了50%，徹底解決了冷堆積的問題。

4 結(jié)束語

太陽能屬于可再生能源，且清潔無污染，資源豐富。在地源熱泵系統(tǒng)中引入太陽能，以地埋管換熱器作為季節(jié)性蓄熱技術(shù)的載體，把太陽能、地源熱泵這兩種技術(shù)有機地結(jié)合在一起的手段，由于融入了季節(jié)性蓄熱技術(shù)，既可以克服太陽輻射受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響的不足，又可以克服地源熱泵系統(tǒng)因全年吸排熱量不平衡而造成地下巖土溫度不斷降低的局限性——由于太陽能的輔助供熱作用，可以實現(xiàn)系統(tǒng)向地下排熱與自地下取熱的平衡，從而使地下溫度場的變化保持穩(wěn)定，保證機組運行工況穩(wěn)定。

綜上所述，太陽能與地源熱泵結(jié)合的復(fù)合能源利用技術(shù)可以集中兩種可再生能源的優(yōu)點，同時彌補其各自的不足，是很有潛力的可再生能源建筑應(yīng)用的技術(shù)。

表2 負(fù)荷平衡表

表3 該地區(qū)氣象參數(shù)表

1 GB50366-2005 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范.2009年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009

2 胡松濤，張莉，王剛.太陽能—地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行方式探討.北京：暖通空調(diào)編輯部，2005

3 徐偉.中國地源熱泵發(fā)展研究報告（2008）.北京：建筑工業(yè)出版社，2008

4 楊睿，韓敏霞.太陽能—地源熱泵組合空調(diào)、熱水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用.中國建設(shè)動態(tài)：陽光能源，2006

5 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù).北京：高等教育出版社，2006

6 徐偉.地源熱泵工程技術(shù)指南.2001