土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)分析

孟方芳

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

現(xiàn)在科技不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，現(xiàn)在社會(huì)的用電結(jié)構(gòu)，也包括電力負(fù)荷在建筑空調(diào)系統(tǒng)中也在不斷變化。這個(gè)比例正在增加。因?yàn)橥ǔ？照{(diào)系統(tǒng)的電力在用電較多的白天需求較大，并且低壓部分的電力消耗很少，所以空調(diào)系統(tǒng)的電力消耗極大地加劇了電網(wǎng)峰谷差。如果能夠?qū)⒖照{(diào)制冷系統(tǒng)中使用的部分或全部電力在夜間轉(zhuǎn)換為低功率，轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，那么它將平衡電力的峰谷差，從而為免費(fèi)建設(shè)高峰電站節(jié)省投資，減少環(huán)境污染，并使電網(wǎng)負(fù)荷利用效率有所提升。以土壤作為熱源的熱泵系統(tǒng)因其使用可再生地?zé)崮芏蛔u(yù)為21世紀(jì)最具前景的節(jié)能環(huán)保空調(diào)技術(shù)。

基于集成制冷技術(shù)與土壤-土壤相互作用的整合，緩解我國供電形勢(shì)緊張，平衡電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷與可再生淺層地?zé)崮艿睦茫詈蠠岜眉夹g(shù)要素和結(jié)果，提出了一種基于空調(diào)負(fù)荷和熱負(fù)荷補(bǔ)充的空調(diào)系統(tǒng)-土壤蓄積和土壤耦合熱泵的綜合系統(tǒng)。這個(gè)體系充分應(yīng)用冷藏科技和土壤耦合熱泵科技的優(yōu)勢(shì)。它集成了蓄冷器和埋管換熱器，克服傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)存儲(chǔ)面積大，配置困難的缺點(diǎn)。在炎熱的夏季和暖冬地區(qū)，把土壤蓄熱和土壤耦合熱泵系統(tǒng)（GCHPS）聯(lián)系起來，經(jīng)過特殊土壤蓄積方法控制和調(diào)節(jié)土壤溫度，以滿足土壤耦合熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行。同時(shí)，由于使用了土壤儲(chǔ)存，可以縮減地下熱交換器的大小，使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)高效。

2 土壤蓄冷與耦合熱泵集成系統(tǒng)

在充分了解國內(nèi)外土壤熱泵與蓄冰技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行改造，整合土壤熱泵與蓄冰技術(shù)要素與成果。該系統(tǒng)充分利用了凍土冷藏技術(shù)和土壤熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。它還使土壤熱泵系統(tǒng)中的埋地?zé)峤粨Q器成為夏季冷藏空調(diào)系統(tǒng)中的冷藏裝置的兩倍，用于改造傳統(tǒng)冷藏系統(tǒng)和土壤耦合熱泵系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新。如圖1所示，提出了一種土壤綜合冷藏和熱泵系統(tǒng)，不僅平衡電力峰谷差，還充分利用低品位能，節(jié)約能源。

圖1 土壤蓄冷與熱泵的集成系統(tǒng)流程圖

2.1 集成系統(tǒng)的工作原理

在夏季空調(diào)運(yùn)行情況下，建筑物所需的部分或全部冷量通過電網(wǎng)低壓時(shí)的低成本電力儲(chǔ)存在土壤中，在發(fā)電高峰時(shí)段，儲(chǔ)存在土壤中的冷量被抽取出來用于空調(diào)系統(tǒng)以調(diào)節(jié)電力的高峰負(fù)荷；在需要冷卻的過渡季節(jié)，體系根據(jù)土壤耦合熱泵系統(tǒng)冷卻條件運(yùn)行，系統(tǒng)的冷凝熱量被排放到土壤中，為土壤的季節(jié)性能量平衡進(jìn)行補(bǔ)償，并根據(jù)冬季供暖條件儲(chǔ)存熱量。在采暖季節(jié)，體系根據(jù)土壤耦合熱泵系統(tǒng)的加熱條件進(jìn)行，并且土壤被用作熱泵系統(tǒng)的低熱源。

2.2 集成系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）地下管道換熱器有兩個(gè)功能：①土壤耦合熱泵的低熱源；②冷藏空調(diào)系統(tǒng)中的蓄冷裝置。

（2）該系統(tǒng)是具有冷藏功能的土壤耦合熱泵系統(tǒng)。該組合物與簡(jiǎn)單的冷藏系統(tǒng)不同，它無須安裝蓄冷裝置（冷卻儲(chǔ)水箱，蓄冰水箱等）。替代由土壤耦合熱泵系統(tǒng)組成的新系統(tǒng)，地下熱交換器的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)冷藏庫系統(tǒng)與土壤耦合熱泵系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。

（3）為了實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)的各種功能，需要使用三種條件的冷水加熱器。并提出了三種情況下冷水機(jī)/熱水器的新思路和新圖。

（4）該系統(tǒng)是一種冷、熱條件的轉(zhuǎn)換，冷藏和冷卻條件的轉(zhuǎn)換，通過水流換向轉(zhuǎn)換冷藏空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，以及增加冷卻水系統(tǒng)。

3 集成系統(tǒng)的驗(yàn)證

利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)探討建設(shè)了土壤蓄熱與土壤耦合熱泵綜合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，且進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建模型是否可靠。以此為基本，采用數(shù)值分析方法分析了其綜合系統(tǒng)在中國夏熱冬冷地區(qū)的可行性，可靠性，運(yùn)行特性和運(yùn)行效果。

利用土壤冷庫移峰填谷是冷藏空調(diào)的新思路。考慮到土壤熱濕傳遞過程的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，需要通過模擬實(shí)驗(yàn)土壤蓄冷，研究、地下土壤蓄冷的機(jī)理、熱特性等。圖2顯示了在封閉單元的沙箱中創(chuàng)建土壤邊界條件的實(shí)驗(yàn)方案。

圖2 試驗(yàn)方案

為了開始評(píng)估這個(gè)體系是否可得到較好應(yīng)用，已經(jīng)查閱了非常多的關(guān)于儲(chǔ)冰和土壤耦合熱泵技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用。經(jīng)過處理和綜合分析，得到了比較全面的技術(shù)和實(shí)施方法。關(guān)鍵技術(shù)是：

（1）土壤儲(chǔ)存是這個(gè)論文的中心問題。特別是鉆研地下儲(chǔ)存的范圍與四周土壤有相關(guān)的聯(lián)系。因此，實(shí)驗(yàn)技巧在這個(gè)話題中非常重要。

（2）對(duì)于土壤而言，可分為幾個(gè)相。水的移動(dòng)將受到土壤中熱量傳遞的作用，而熱量又會(huì)干擾到水的遷移，并且數(shù)量和熱濕的傳遞過程會(huì)的相互作用，并且這個(gè)過程是嚴(yán)重的非線性耦合。因此，探討換熱器在土壤中地下的熱濕傳導(dǎo)的理論基礎(chǔ)（如線熱源理論，圓柱形熱源理論，三維瞬態(tài)遠(yuǎn)程傳熱模型等），可以幫助建設(shè)土壤耦合熱泵模型。

（3）這個(gè)項(xiàng)目重要的手段之一是計(jì)算機(jī)模擬空調(diào)制冷系統(tǒng)。在探討技術(shù)中植入計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，采用模擬方法對(duì)系統(tǒng)和過程進(jìn)行取代，之前的實(shí)驗(yàn)方法就會(huì)被代替，省下了許多人與物的資源。通過動(dòng)態(tài)分析方法代替之前的靜態(tài)分析方法，建設(shè)數(shù)學(xué)模型與現(xiàn)在的體系或經(jīng)過更加相近。為了將仿真模型的通用性和準(zhǔn)確性提升，在體系中的仿真研究中把現(xiàn)代人工智能科技引進(jìn)。

4 結(jié)束語

在電力供應(yīng)日益緊張的情況下，空調(diào)和冷藏技術(shù)的發(fā)展將成為有效平衡電網(wǎng)峰谷差異的重要技術(shù)措施之一；而使用土壤作為冷熱源的土壤耦合熱泵技術(shù)將因其可再生而被使用。地?zé)崮芘c能源的可持續(xù)發(fā)展策略相吻合。蓄冷技術(shù)與土壤耦合熱泵技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，集成了冷藏技術(shù)和土壤耦合熱泵技術(shù)的各種要素和成果，耦合熱泵技術(shù)。一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)解決了兩個(gè)熱點(diǎn)問題：空調(diào)器當(dāng)前的峰峰負(fù)載和空調(diào)項(xiàng)目中使用可再生能源。所提出集成系統(tǒng)為現(xiàn)代的建設(shè)提供環(huán)保并且節(jié)能的熱泵式冷庫空調(diào)方法，可以給未來空調(diào)的可持續(xù)發(fā)展策略供應(yīng)可靠的理論基礎(chǔ)和科技儲(chǔ)備。

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