严寒地区土壤源热泵热补偿策略综合试验台研制

严寒地区土壤源热泵热补偿策略综合试验台研制
张姝;张希浩;张聪慧;宫克勤
【摘要】为研究土壤源热泵系统长期运行容易产生土壤热失衡问题,设计了一套用于研究严寒地区土壤热补偿策略的太阳能/空气能/地热能/热泵综合实验台.实验台的特色:既可以手动实现多种运行模式的转换,又可以实现在一定温度条件下的连续运行;可以实现高效利用不同辐射强度的太阳能.通过实验台的搭建以期能为严寒地区土壤源热泵容易出现的土壤热失衡问题提供研究平台.
【期刊名称】《应用能源技术》
【年(卷),期】2017(000)008
【总页数】3页(P48-50)
【关键词】严寒地区;土壤源热泵;热补偿;综合试验台
【作者】张姝;张希浩;张聪慧;宫克勤
【作者单位】东北石油大学土木与建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木与建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木与建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木与建筑工程学院,黑龙江大庆163318
【正文语种】中文
【中图分类】TH3;TK529
土壤源热泵供热是目前最具节能潜力的清洁能源供热方式之一，严寒地区冬季热负荷巨大，采用土壤源热泵系统存在两个问题，一方面连续集中取热将导致土壤温度过低，热泵性能下降；另一方面土壤换热器冬季从土壤的取热量远大于夏季的排热
量，长期运行将导致土壤温度逐年降低，系统供热能力逐年下降。

近年来，很多学校搭建实验台进行了土壤源热泵系统热失衡的实验。

哈尔滨工业大学建立太阳能—土壤耦合热泵系统进行太阳能季节性土壤蓄热研究[1]。

清华大学
研发了一种新型热管/蒸汽压缩式复合补热机组研究空气能跨季节储存和利用，并
研究不同运行模式对土壤热平衡的影响[2]。

同济大学、桂林理工大学建立土壤源
热泵系统研究系统研究运行模式对地埋管换热器热交换性能的影响[3-4]。

上海交
通大学、东南大学都曾利用试验台研究跨季节蓄热及地下土壤热平衡问题[5-6]。

实验台由热泵系统、地埋管换热系统、太阳集热系统、蓄热水箱、风机盘管系统、室内盘管系统等组成。

通过阀门的切换可实现多种运行工况的转换，有利于对多热源复合式土壤源热泵的多模式热补偿策略进行研究。

为研究热补偿策略对土壤源热泵系统供热性能的影响，搭建如图示的实验系统。

为防止冬季严寒地区管道出现冻堵现象，系统室外部分(地埋管换热系统、太阳集热
系统、蓄热水箱)使用乙二醇防冻液，室内部分(风机盘管系统、室内盘管系统)使
用水进行换热。

系统控制有自动和手动两种模式，机组设定为自动运行模式前，需设定机组运行温度的上限和下限值，以使室内温度维持在一定范围；机组运行时，对温度传感器所收集数据的实时存档时间进行设置，取存档时间为5s/次。

结合图1，实验台可以有如下几种热补偿运行方案，总结见表1。

进行模式一实验时，打开阀门6-5-1-8-9，其他阀门关闭，利用实验台观测不同时段太阳能进行热补偿的补偿热量、热能效，判断是否能满足土壤热失衡的补偿热；开阀门13-7-6-9-12-14-21-15-4-1，其他阀门关闭，开启热泵机组，进入模式二，参考模式一数据，选取最佳热补偿时间段，进行太阳能热泵系统能效、热补偿效率研究；进行模式三实验时，打开阀门13-7-5-1-8-12-14-19-17-15或阀门13-7-
5-1-8-12-14-20-18-15，其他阀门关闭，可研究不同时段两种末端形式热补偿的补偿热量、热补偿效率；进行模式四实验时，打开阀门4-1-16-19-17或阀门4-
1-16-20-18，其他阀门关闭，开启热泵机组，可研究不同形式的末端制冷时，对地下土壤热补偿的效率；进行模式五实验时，选择三组阀门6-5-1-8-9、阀门13-7-5-1-8-12-14-19-17-15、阀门13-7-5-1-8-12-14-20-18-15，打开其中的一组，其他阀门关闭。

参考模式一和模式三所得数据，制定两种补偿策略交替进行的匹配方式，并测量交替模式的综合补偿效率，研究在不开热泵机组的情况下单靠空气能和太阳能补偿可以使地下土壤的恢复程度；进行模式六实验时，选择三组阀门13-7-6-9-12-14-21-15-4-1、阀门4-1-16-19-17、阀门4-1-16-20-18，打开其中的一组，其他阀门关闭。

参考模式二和模式四所得数据，合理分配两种热补偿的补偿时间、补偿热量所占比例，为严寒地区土壤源热泵制定最佳的补偿策略。

实验台的数据采集系统具有实时存档功能，利用导出数据可以观察地下土壤平均温度的瞬时变化，监控机组的瞬时能效变化，由此可以更好的制定热补偿策略。

蓄热水箱的添加可以为两种热源的联合运行增加更多运行方式。

同时解决了，冬季供暖时，太阳能或空气源热泵用于供暖后富裕热量的浪费问题和太阳能辐射较弱集热器产生热量较少无法直接用于供暖的浪费问题。

利用蓄热水箱中的热量进行供暖有两种方式。

其一，从太阳能集热器吸收的热量与蓄热水箱进行热交换，换热后的水经热泵再次加热，通过板式换热器向末端供暖；其二，从土壤和太阳能集热器吸收的热量均与蓄热水箱进行热交换，热泵吸收蓄热水箱中的热量对末端供暖，至于选用哪种方案应在综合考虑机组能效的情况下，视具体情况而定。

蓄热水箱的增加减少了热泵机组从地下土壤提取热量，从而间接维持地下土壤的热平衡。

此可为充分高效的利用不同辐射强度的太阳能提供依据。

实验台开启自动控制模式，设定机组启停的温度值，实现机组在一定温度条件下的连续运行。

该实验台机组起停控制方式与工程中空调、热泵常用控制方式相同，故所测结果更具普遍使用价值。

通常空调的运行模式会通过联动控制机组回流液体温度来实现，本实验台的机组启
停也是受一个特定的感温包影响。

联动控制机组回流液温度、室温还是其他温度是保证复合式土壤源热泵系统合理运行的最佳控制方式可以通过试验台加以验证。

作为新能源利用的重要开发方向，土壤源热泵系统在国内得到长足发展。

但也由于我国气候条件的多样性，同时缺少相应规范和标准作为指导，导致严寒地区大量已建成土壤源热泵系统地下土壤容易出现热失衡问题。

对此，借助模拟或实验手段，依据建筑的不同功能、特点，探寻适合相应建筑类型、当地气候特点的复合式土壤源热泵系统，并进一步寻求能保证系统长期稳定运行的补偿策略才是重点。