土壤源热泵在中央空调系统中的应用

提 要 　　简要介绍了土壤源热泵的工作原理及特点，并以实际工程为例，探讨了土壤源热泵应用于中央空调系统的设计方法及运行情况，指出了土壤源热泵技术对节能和环保具有重要意义。 关键词 中央空调系统 土壤源热泵 地耦管 节能环保 0 引言 　　土壤源热泵属于热泵的一种，它通过消耗一定的高品位能量（如电能），把不能直接利用的土壤中的低品位能量经过类似于水泵的泵水，经提升转换为有用的热能，从而可节约高品位能量。土壤源热泵应用于中央空调，包括三套管路系统：末端系统、机房系统、地耦管路系统。与传统的热泵空调系统相比，其不同之处主要在于地耦管路系统是由埋设于土壤中的地耦管，将土壤作为冷热源，通过热泵从中取热或向其排热，为建筑物供暖或制冷的一种空调系统。由于地表几米以下的地温常年相对稳定，冬季比空气温度高，夏季比空气温度低，因此和传统的风冷热泵相比，土壤源热泵可不受室外大气温度的影响，夏季制冷时冷凝温度较低，冬季制热时蒸发温度较高，系统可工作在更好的压力范围内，其EER值很高，节能效果显著。埋设地耦管有两种基本方式，一种是平埋，即在浅层土壤中挖沟埋管，通常应用于有较大场地的建筑物；另一种是立埋，即在地层中竖直钻孔，在钻孔中插入塑料管，并用封井材料填实，载热流体在塑料管内循环流动，从而实现管内液体与管外土壤的热量交换，该方式占地面积小，是常用的一种方式。 　　近年来土壤源热泵系统以其良好的节能和环保特性，在欧美等国受到了极好的重视，已经进入成熟的商业化实用阶段，而我国在这方面的发展还处于起步阶段，工程应用较少，但其节能、环保和热稳定的特点正逐步引起科研设计部门和空调生产厂家的关注。本文将结合土壤源热泵系统在菏泽生建办公楼中央空调系统中的应用，对设计及运行情况作一介绍。 1 工程概况与系统设计 　　山东省菏泽生建办公楼为A、B两座楼，间距50米，A楼为南北向单面2层楼，建筑高度9.9m，空调面积678m2；B楼为东西向单面2层楼，建筑高度8m，空调面积430 m2。两楼均为采暖、制冷设计，室内设计参数：夏季26±2℃，相对湿度45~55%；冬季20±2℃，相对湿度40%。夏季空调总冷负荷149.5 kW，冬季空调总热负荷105.3 kW。冷热源采用LRY-W150涡旋式水–水型土壤源热泵机组一台，名义制冷量148 kW，名义制热量150 kW。夏季提供7℃/12℃冷水，冬季提供55℃/50℃热水。空调水系统采用二管制，定流量运行，同程布置，循环泵一用一备。热泵机组及配套设备设在B楼一层机房。各办公用房均采用风机盘管送风。为充分发挥它的节能性，在设计地耦管换热器时我们同时考虑了土壤的温度、湿度、导热系数及管材直径、流速、热阻等，根据需要采用了立埋闭式环路系统，共钻孔42眼，分两组设在通往两楼的路下，占地面积约500 m2，矩阵型（2×10和2×11）分布排列，钻孔半径55mm，钻孔间距5m，钻孔深度70m，总钻孔量2940m，埋DN32单U型管，埋管长度5880m，埋管周围的空隙用钻孔回收泥浆填埋。水平干管埋在深度2m的水平沟内。地耦管材均选用高密度聚乙烯管，其正常寿命可达50年。制冷与供热工况间的转换通过调整机房配水管路中的换向阀门来实现。为防止结垢、保持水质稳定，我们在地耦管内充注了软化水，为避免地耦管循环水在冬季运行时结冰，我们按能抵抗-7℃的低温加入了一定浓度的乙二醇溶液。 2 运行情况及数据分析 　　上述工程于2003年12月竣工投入使用，在埋管前，我们对埋管周围的土壤进行了实测，冬季静水位在地下20米处，土壤为湿粘土，含水率较高，实测的土壤导热系数在1.2~1.8W/（m·℃）之间。地下20米处冬季平均温度16.2℃，夏季平均温度17.1℃。从12月20日开始，我们作了相关的运行记录，在地耦管循环水、空调循环水管路上共设了4个测温点，采用Pt100铂热电阻配三菱FX2N-4AD-PT温度模块测量温度，流量计量采用涡轮式流量计，热泵机组、地耦管循环泵、空调水循环泵、补水泵等的电耗通过电度表测得。热泵机组的制冷（热）量通过测量空调循环水进出口温差和相应的流量得到。地耦管的排（取）热量通过测量地耦管循环水进出口温差及相应的流量得到。 办公楼是从早晨7点至晚上22点供暖（制冷），每天运行15小时，经过半年多的使用，积累了大量测试数据。根据记录，进入土壤源热泵的循环液温度, 夏季最高为29.3℃，冬季最低为6.1℃。机组每天开机的初始阶段制热（制冷）量都稍大，随后逐渐减少，一般 4~6小时后地耦管与周围土壤的换热进入相对稳定的阶段，循环液进出口水温也较稳定，机组制热（制冷）量基本保持不变。通过测量进各出口水温及相应的流量，即可得出热泵机组的制冷（热）量、地耦管总的取（排）热量和单位钻孔长度的取（排）热率，再测量相应时间段内热泵机组的功耗和系统的总功耗，我们可以分别得到机组的制热（冷）能效比EER（Energy Efficiency Ratio）值和系统的EER值。图1是1月20日循环液进出地耦管水温随时间的变化图，图2是7月2日循环液进出地耦管水温随时间的变化图, 从两图中的循环液进出水温度的变化趋势可以看出，机组启动以后约四五个小时以后，温度的变化幅度逐渐变小，渐渐趋于稳定。图3是1月20日热泵机组制热量随时间的变化图, 图4是7月2日热泵机组制冷量随时间的变化图，由于初始运行阶段，循环液进出水温度比较理想，热泵机组的运行工况较好，所以从图中可以看出初始运行时的制热（冷）量都大。图5是1月20日热泵机组功耗随时间的变化图, 图6是1月20日热泵机组功耗随时间的变化图，由于初始运行时热泵机组的运行工况较好，虽制热（冷）量较大，但所消耗的功率却较少。而且由于冬季热泵冷凝温度较高，运行的工况差，消耗的功率也较高，夏季热泵冷凝温度较低，运行的工况好消耗的功率相应较低。 　　下面的表1、表2是选取的几组记录数据(日平均值)及由此计算得到的相关参数值. 表1 冬季单位钻孔取热率和热泵系统的EER值 表2 夏季单位钻孔排热率和热泵系统的EER值 　　从表中实测的数据可以看出，实际运行情况与设计前的数据基本接近。因冬季地耦管与外围土壤间的温差小，夏季地耦管与外围土壤间的温差大，故单位钻孔长度的夏季土壤排热率大于冬季土壤取热率。 　　在机组的运行中，由于最大冷热负荷只出现在夏冬季最热和最冷的几天，因此机组大部分时间实际上不在满负荷条件下工作。我们采用的热泵机组控制为彩色中文触摸屏和PLC组成的尖端智能模糊控制，可根据负荷使用量自动调整压缩机和地耦管循环泵的运行状态及启停时间，正好适应系统要求，使系统一直工作在节能状态。统计至2004年8月10日，地耦管系统实际共运行135天，累计耗电49350kWh，单位面积耗电量为：0.022 kWh /m2•h。如果按夏季制冷90天，冬季采暖120天，每天使用8小时测算，则单位面积全年的运行费用约在22元/m2左右（电费按0.6元/ kWh计），低于常规系统。虽然设备初投资比传统中央空调造价要高20-30%，但系统用节约的电在4-6年内即可收回多用的投资。 3 结语 　　在工程应用中，我们获得了土壤源热泵性能、设计及施工等方面的一些参数，从初步的运行情况和测试结果来看，该系统达到了设计要求，它的成功为推广土壤源热泵新技术取得了宝贵的第一手资料和实践经验。 3.1 由于土壤源热泵夏季冷凝温度低，机组夏季的EER值要高于冬季，夏季较为省电。 3.2土壤源热泵系统制热、制冷能效虽比水源热泵低，但比空气源热泵约高40%，且冬季不需要耗费功率去除霜，具有较好的节能特性。 3.3土壤源热泵系统能很好地利用地热资源，但又不取用和接触地下水，环保无污染，且系统简单可靠，运行维护费用很低。 3.4闭式地耦管系统所需水泵，相对于开式水源热泵的潜水泵，扬程较低，功耗也较低，因此，使得整个系统的EER值并不低。 3.4工程中要钻很多的井孔，埋很多的管材，其初投资较常规的热泵系统要大，但由于投资回报率高，该技术的前景应是比较广阔的。 参考文献 1 李元旦等．土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究．暖通空调，2001，31(1)：17-20. 2 吴展豪． 地源热泵空调系统．《中国建设信息》供热制冷专刊，2003，4 ：56-57. 3 朱培根．国内热泵技术及其应用．暖通制冷设备，2004，4：24-34. Abstract Describes briefly the work principle and characteristics of ground source heat pump. A practical project is used as an example for exploring the design methods and running conditions of ground source heat pump in the central air-conditioning system. Points out that the ground source heat pump technology has important meaning to the energy saving and environmental protection. Keywords central air-conditioning system ground source heat pump ground coupling tube energy saving and environmental protection 作者简介 韩慧民（1968—），男，山东菏泽人，大学，工程师，主要从事空调与控制技术的研发工作 邮编：274030 地址：山东省菏泽市定陶路61号 菏泽生建