地源热泵冷热平衡问题

地源热泵冷热平衡问题研究

0 引言

地源热泵与一般的空调系统相比具有显著的节能效果，这主要是由于其较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，从而可以很大程度地提高机组运行的 COP。同时，由于地源热泵系统不直接向空气中排放热（冷）量，因此它还是一种较为清洁的空调方式。

由于我国大部分地区都是夏热冬冷地区，也就是冬季需要供热，夏季需要供冷，所以我们只是单纯地把地下作为一个热量储备设备，夏季把热量储存到地下以备冬季来用，冬季储存冷量供夏季制冷。但是，一般来说冬夏冷热负荷很难达到绝对的平衡，在长三角地区这种现象尤其明显。如果出现严重的冷热不平衡的情况（极端情况就是单冷或单暖地区），就会导致地下温度逐步地升高或者降低（长时间运行）。一般情况土壤温度降低 1℃，会使制取同样热量的能耗增加3%～4%[1]，因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。为推广地源热泵这种节能环保的空调系统在长三角地区的应用，本文提出了一种地源热泵系统全年冷热量平衡的方式。

系统介绍

地源热泵热回收系统

对于宾馆一类的建筑全年使用空调的同时还有生活卫生热水的要求，这一类建筑比较适合采用地源热泵机组。该类建筑可以在夏季提供空调冷量，过渡季节空调采用全新风，冬季提供空调热量，同时全年利用地源热泵机组提供生活热水。目前在夏季供冷的同时提供热量的方案比较少，这里采用在地源热泵主机地源侧增加热回收的方式来解决该矛盾。图 1 为这种热量回收方式的原理图：当主机需要制冷时，阀门V1 关闭，V2 开启；当主机制热时，阀门 V1 开启，V2关闭。

图 1 热回收方式原理图

运行方案

在夏季时，地源热泵主机蒸发器侧与空调用冷端进行换热，地源热泵主机冷

凝器侧与地埋管换热器侧以及建筑物内其他需用热（如生活热水）的热用户相接，热量只有一部分被土壤吸收；在冬季运行时，空调侧需要热量与地源热泵机组的冷凝器侧相接，同时建筑物内还有其他需要供热的部分热用户，地埋管换热器侧与蒸发器侧相接，向地下排放冷量；过渡季节建筑物内只有热用户需要提供热量，此时地源热泵主机冷凝器侧与热用户相连接，地埋管换热器侧与地源热泵主机蒸发器侧相连接，向地下释冷。

能量守恒关系

夏季：空调制冷需要向地源侧排出热量，生活热水需要吸收热量，在夏季主

要是利用余热回收来提供生活热水。根据文献[2]可以得到以下的平衡关系。当热回收能满足热水要求时：111r f Q EER

EER Q Q -+⨯= （1）

当热回收不能满足热水要求时：

（2）

式中：Qf 为向地源放热量，kWh ；Q1 为处理空调负荷总 的 冷 量 ，kWh ；

Qr1 为 夏 季 加 热 生 活 热 水 需 要 热 量 ，kWh ；η 为热回收效率；EER 为地源热泵主机制冷系数；COP 为地源热泵主机制热系数。过渡季节：

空调部分不需要冷量或热量；地源热泵主机开启用于制取生活热水。

COP COP Q Q r x 122-⨯= (3) 式中：2x Q 为过渡季节从地源侧吸收热量，kWh;2r Q 为过渡季节加热生活用水

需要热量，kWh;

冬季： 空调和生活热水侧的使用都会从地源侧吸热。

式中： Q x3 为冬季处理空调热负荷从地源侧吸热量，kWh ； Q x4 为冬季

处理生活热水负荷从地源侧吸热量，kWh ； Q r4 为过渡季节加热生活热水

需要热量， kWh 。全年对地源侧的放热量为：

2 地源热泵系统排热 （冷 ） 对土壤侧的影响

根据运行方案， 当不采用其他调节冷热不平衡的手段时， 带热回收的地源

热泵系统全年运行时可以最大程度地减少地上部分对土壤的影响。本文通过

实例计算来确定空调系统全年向土壤侧的排热 （冷 ） 量。

工程介绍

该工程为上海某宾馆的空调改造项目，工程建筑面积约 25000 m 2 ，总制冷量 2000 kW，制热量 1450kW，生活热水夏季负荷 540 kW，过渡季节为680 kW，冬季 840 kW。空调每天 24 小时开放；空调周期为每年180 天制冷周期， 120 天采暖周期，其余 65 天为过渡季节周期。根据文献可以得到空调和采暖周期中， 25%负荷段占空调时间的 %， 50%负荷段占空调时间的%， 75％负荷段占空调时间的 %， 100％负荷段

占空调时间的 %。生活热水每天 24 小时开放。向土壤侧排热（冷）量计算该工程选取地源热泵主机制冷的 EER 值为，制热 COP 值为。热回收效率为55%。

（1 ）夏季总的空调供冷总排热量

Q 放为整个夏季空调用冷期间总的排热量； Q 放 '为夏季空调用冷期间向地下排热量； Q 放 '' 为生活热水回收总热量。三者计算公式如下：

式中： Q 1 、 Q 2 、 Q 3 、 Q 4 分别对应 100%、 75%、 50%、 25%负

荷时段系统排热量； Q 1 ''、 Q 2 ''、 Q 3 ''、 Q 4 '' 分别对应 100%、75%、50%、 25%负荷时段生活热水需热量； Q 4 ''' 为制取生活热水向地下排冷量。经计算得： Q 放 =6230400kWh， Q''=2243839kWh，Q 放 '=3929372kWh。

（2 ）过渡季节从地下取热量

过渡季节只有生活热水需要取热：

（3 ）冬季从土壤取热量

为冬季从土壤取热量，可按下式计算：

式中： Q 6 、 Q 7 、 Q 8 、 Q 9 分别为对应 100%、 75%、 50%、 25%负荷时段系统排热量； Q 6 ''、 Q 7 ''、 Q 8 ''、 Q 9 '' 分别为对应100%、 75%、 50%、 25%负荷时段生活热水取热量。经计算得： Q 吸

''=3139097 kWh。

（4 ）采用热回收时全年向地下的总排热（冷）量

采用热回收时全年向地下的总排热（冷）量 Q 可

按下式计算：

经计算得： Q=108332 kWh。符号为正，说明全年的总体效果是向地下排热。（5 ）不用热回收时对土壤的总排热（冷）量计算不用热回收时，空调制冷向土壤侧总排热量 Q 放按式（7 ）计算，空调制热季向土壤侧总排冷量 Q x 吸和全年向土壤的总排热量 Q f 分别按下式计算：

经计算得： Q 放 =6230400kWh， Q x 吸 = kWh，Q f = 4646503kWh。

3 全年从地下吸热对土壤的温度影响分析

本工程在地源侧一共有 209 组土壤源换热器，深度均为 110m，将总排热量折算到每米管长可以得到：当采用热回收时为 (m ·年)，当不采用热回收而生活热水采用其他设备制取时为 (m·年)。为了解全年从地下吸热对土壤侧的影响，将计算结果作为初始条件利用 CFD 工具模拟土壤侧的温度场分布，在这里采用 FLUENT 软件进行模拟。模拟中采用纯导热模型，对能量项采用二阶迎风格式计算。

物理模型

利用文献[3]中的数学模型，将 U 型管等效为一当量直径的单管，两根 U 型管间距为 L g ，管径为 D 0 ，等效单管的当量直径为：。单孔模型