土壤源熱泵與水蓄能系統的耦合研究

郭杰

摘要：土壤源熱泵系統具有環保、節能和能效高的優勢，逐漸得到應用推廣。本文對土壤源熱泵系統和水蓄能系統進行耦合研究，此耦合復合系統既能保證熱泵機組的效率，同時還能確保系統運行費用最低，實現經濟最大化。

關鍵詞：土壤源熱泵;水蓄能;節能

1、引言

土壤源熱泵系統可以充分利用地層淺層的地熱能量，實現冬季供暖和夏季降溫的效果。此熱泵系統具有節能效果佳、能效高且環保等優勢，越來越多得到應用推廣。蓄能系統能夠將部分未消耗的能量進行存儲，目前水能是最為廣泛的蓄能能源，通過土壤源熱泵與水蓄能系統進行復合，可以將熱泵能量進行存儲，熱泵機組不僅可以直接向用戶提供能量，同時還可向蓄能水槽進行蓄能，蓄能水槽再通過換熱器向用戶側供能。復合系統可以充分結合兩種系統的優勢，實現運行費用最低，保證經濟性。

2、土壤源熱泵系統的原理、特點及設計要求

2.1 土壤源熱泵系統原理

土壤源熱泵系統主要利用土壤淺層地熱資源，實現冬季供暖、夏季降溫的雙重目的。利用此系統，可以將夏季室內的熱量資源通過熱泵系統及地埋管系統轉移到土壤中，冬季又可以將土壤中的熱量通過熱泵系統及地埋管系統轉移到室內，從而完成冬季和夏季的熱量轉移，保證室內舒適度。

2.2 土壤源熱泵系統的特點

首先土壤源熱泵將淺層地層作為熱源，夏季能夠儲熱能、冬季可以儲冷能，實質上此能量屬于可再生資源。由于地層溫度相對穩定，是良好的冷熱能源，相對于空氣源熱泵而言，土壤源熱泵更加節能。地埋管的壽命可以達到50-60年，因此具有經濟性。但因此土壤源熱泵系統占地面積較大，對于一些土地寬容度要求較高，另外前期投入時需要進行土方挖掘，一般預投資費用較高。

2.3 設計要求

一般進行土壤源熱泵系統構建之前需要對工程現場進行詳細檢查、勘測，取得相應的土質資料，包括地層溫度、地下水的水位、水質分布等。由于地下地埋管所需面積較大，因此需要較廣的土地面積。如果供熱建筑物需求冷熱負荷的差異較大，一般需要借助其他的補熱或排熱的措施，以保證熱量的平衡。

3、水蓄能系統的原理及特點

水蓄能系統的形式較多，一般有單槽、雙槽和多槽水蓄能系統，在水蓄能系統設計時需要根據實際具體情況選擇不同的蓄能水池，目前實際生活中常用單水槽自然分層水蓄能系統。對于單水槽自然分層水蓄能系統充分考慮水的物性條件，一般水溫在4℃時的密度最高，因此此溫度的水較多控制在水槽的下部分，高溫水（15℃）儲存在水槽的上部分，因上部分和下部分的水溫存在一個變化區間，此區間即為溫度的斜溫層，斜溫層的厚度受蓄能系統的水流狀態、水槽的換熱系數及實際的溫差情況影響，斜溫層的厚度大小可以衡量蓄能的實際效果，影響蓄能效率。

水蓄能系統的工作方式主要包括以下幾種形式：

全負荷蓄能：全負荷蓄能方式即空調所需的全部熱能均由蓄能系統提供，全負荷蓄能方式一般適用于間歇運行方式的場所，如體育館、籃球場等，此方式前期投入較多，后期投入運行費用相對偏低。

部分負荷蓄能：此時蓄能水池與冷熱源機組進行聯合運行，此方式的初期投入費用相對較低，應用相對廣泛。

4、土壤源熱泵與水蓄能復合系統的原理及特點

土壤源熱泵熱水器的工作原理從根本來看就是一個卡諾循環過程，其主要組成部分包括：壓縮機、膨脹閥、蒸發器、冷凝器、過濾器和儲水箱等組成，冷媒在體系內進行循環，不斷從蒸發器處吸收外部熱量，然后再冷凝器設備中將熱量傳遞給水槽中的水，將水進行加熱。其具體的工作原理如下：

從蒸發器內出來的氣態冷媒進入到壓縮機內，在壓縮機的作用下，氣態冷媒被壓縮成高溫高壓的氣態冷媒，高溫高壓氣態冷媒進入冷凝器，將其熱量傳遞給冷凝器，將儲水箱內的水進行加熱，高溫高壓氣態冷媒變成低溫高壓的液態冷媒，經過過濾器后，然后進入膨脹閥，進行泄壓，此時冷媒狀態為低溫低壓，低溫低壓的冷媒進入蒸發器進行吸熱，然后高溫低壓的冷媒進入壓縮機被壓縮成高溫高壓的冷媒，進行下一次的循環過程。在整個過程中，需要提供外部能量的設備是壓縮機，壓縮機對冷媒再進行做功，土壤源的溫度越高，冷媒從蒸發器獲取的能量也就越多，對應的壓縮機的做功越少，此時熱泵的效率最佳。通過此方式，土壤源熱泵機組既可以直接給建筑物進行供熱或供冷，還能向水蓄能體系進行供熱供冷，夏季可以蓄冷和供冷，冬季可以蓄熱和供熱，過渡季節還可以同時蓄冷供冷和蓄熱供熱。

此復合系統具有以下特點：通過兩者的結合，可以有效降低土壤源熱泵機組的裝機容量，有效節約前期的投資費用，同時對于土地面積的需求也降低，滿足一些土地不充足的環境使用要求。復合系統通過自動化控制與控制策略優化，能夠確保土壤源熱泵機組處于高負荷或滿負荷狀態下運行，提升熱泵機組的能效比。

5、地源熱泵（土壤源熱泵）與水蓄能耦合系統的運行策略制定

對于土壤源熱泵系統和水蓄能存在幾種工況下的轉換，此系統相對于空調系統而言，運行控制策略更加復雜，常用的控制運行策略有如下幾種：

（1）熱泵機組優先運行：保證土壤源熱泵機組始終處于高負荷或滿負荷下運行，確保熱泵的運行能效比。當空調的負荷超過熱泵機組負荷時，投入蓄能系統，補充剩余的熱量或冷量。此控制方式相對簡單，運行方式有效可靠。但此方式對于水蓄能池的使用頻率較低，不能有效的實現費用的節約。

（2）蓄能水池系統優先運行：保證蓄能水池系統始終處于高負荷或滿負荷下運行，當空調的負荷超過蓄能水池系統負荷時，投入土壤熱泵機組系統，補充剩余的熱量或冷量。此控制方式既要考慮土壤熱泵機組的運行效率，同時還要最大限度地利用水蓄能系統，運行控制相對復雜。

（3）優先控制運行方式：優先控制的前提或目的是控制運行電費費用，根據電價的相關政策和費用，最大限度地利用蓄能水槽的作用，保證用戶支付電費的費用最低。此方式不能充分確保土壤熱源的運行效率。例如供暖期期間，上午7點至8點，為了快速提升室內的溫度，使用市政供暖熱量供熱;8點至18點期間，優先使用蓄能水池系統進行供暖，如果此時的熱量不能滿足要求，再依次投入土壤源熱泵系統、市政供暖系統。18點至23點期間，由于電價相對較高，此時可以投入市政供暖。23點至7點期間，按調研得到的供暖期夜間蓄能工況執行。

6、結語

土壤源熱泵與水蓄能復合空調系統。實現了土壤源熱泵和水蓄能技術的良好結合。不僅具有明顯的節能和節費的潛力。而且在一定程度上解決了環境污染的問題。

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