機(jī)械工程師評職范文某土壤源熱泵系統(tǒng)問題分析

　　摘要：針對包頭市某地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行狀況較差的問題，通過對系統(tǒng)評價分析，排除地埋管損毀因素之外，結(jié)果表明該系統(tǒng)出現(xiàn)冷堆積現(xiàn)象。針對此問題提出了地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡解決方案。

　　關(guān)鍵詞：土壤源熱泵,熱平衡,實(shí)例分析,解決方案

　　0 引言

　　土壤源熱泵是一種利用地下土壤作為熱泵低位熱源，通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫位向高溫位轉(zhuǎn)移的熱泵系統(tǒng)[1]。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖;夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。在能源短缺的今天，利用淺層地溫能這一清潔可再生的新能源改善環(huán)境污染狀況日益受到國家和地方政府的重視，近年來相繼出臺了一系列支持鼓勵政策和管理法規(guī)，各地政府還財政補(bǔ)貼淺層地溫能的開發(fā)利用[2]。

　　但是在實(shí)際工程中往往因建筑冷熱負(fù)荷需求量不等，在一個冷熱周期內(nèi)，土壤源熱泵系統(tǒng)從土壤中置換的冷熱量也不等。土壤中多儲存的冷熱量會導(dǎo)致土壤的冷熱堆積。隨著地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)、長期的運(yùn)行，如果從地下過多地取熱，勢必因熱量累積效應(yīng)，造成土壤溫度場得不到有效恢復(fù)[3]。

　　在本文中將結(jié)合實(shí)際工程，對使用一定年限后的土壤源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)的冷堆積現(xiàn)象而導(dǎo)致的冬季運(yùn)行狀況較差的問題進(jìn)行探究，提出相應(yīng)的解決方案，對在設(shè)計時采取措施避免或盡量減緩因冷熱堆積導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行狀況差的問題。

　　1 項目簡介

　　本項目位于包頭市，總建筑面積21350㎡，該建筑為辦公使用，建筑樓層為地上三層，屋面高度為43.8米，共10層。由設(shè)計院提供數(shù)據(jù)可知，冬季熱負(fù)荷為2080KW，熱負(fù)荷指標(biāo)為97.4W/㎡;夏季空調(diào)冷負(fù)荷為1660KW，冷負(fù)荷指標(biāo)為77.8W/㎡。

　　制冷機(jī)房內(nèi)設(shè)置了2臺地源熱泵機(jī)組，單機(jī)制冷制為880kW，輸入功率為188kW，單機(jī)制熱制為1075kW，輸入功率為258kW。地源側(cè)配置3臺循環(huán)水泵(兩用一備)，額定流量和揚(yáng)程分別為120 m3/h和38m，額定輸入功率為55kW;用戶側(cè)配置3臺循環(huán)水泵(兩用一備)，額定流量和揚(yáng)程分別為200 m3/h和32m，額定輸入功率為55kW。

　　原設(shè)計垂直埋管換熱單元420個，鉆孔孔徑為200~250mm、深100米，間距4.5-5m,采用原漿回填。換熱管采用外徑為De32的高密度聚乙烯管，單U形布置。

　　2 地埋管熱平衡計算

　　2.1 地埋管換熱器數(shù)量核算

　　冬夏季節(jié)地埋管換熱器的換熱量可以分別由下述公式計算：

　　其中 Q1’——夏季向土壤排放的熱量(kW);

　　Q1——夏季設(shè)計總冷負(fù)荷(kW);

　　Q2’——冬季從土壤吸收的熱量(kW);

　　Q2——冬季設(shè)計總熱負(fù)荷(kW);

　　EER——設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的能效比;

　　COP——設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)。

　　考慮到該工程以制熱為主，地埋管換熱器數(shù)量的計算以冬季最不利情況下所需換熱量確定。冬季從土壤吸收的熱量計算如下：Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW;

　　根據(jù)項目前期勘查測試結(jié)果計算冬季最不利情況下所需地埋管換熱器長度計算如下：L=1581.2 kW÷38.5W/m=41070m;單U形布置，單孔換熱器深100m，則所需地埋管換熱器為411空。通過上述核算表明原設(shè)計地埋管數(shù)量滿足使用要求。

　　2.2 地埋管熱平衡核算

　　在供冷季節(jié)，輸入系統(tǒng)的所有能量都必須釋放到地下，這些能量包括系統(tǒng)熱負(fù)荷、系統(tǒng)耗功量和地?zé)釗Q熱器循環(huán)泵的耗功量。循環(huán)泵耗功量可近似為泵的耗功量與熱泵運(yùn)行小時數(shù)的乘積。在供熱季節(jié)，從地下吸收的熱量等于設(shè)備的制熱量減去輸入的電功，輸入的熱量包括壓縮機(jī)耗功量和地?zé)釗Q熱器循環(huán)泵的耗功量[4]。則夏季制冷總放熱量Q1’=1660kW×(1+1÷4.68)=2014.7kW;冬季制熱總吸熱量Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW。

　　根據(jù)業(yè)主實(shí)際使用情況得知該系統(tǒng)夏季總共運(yùn)行90天，每天8小時，冬季總共運(yùn)行150天，每天8小時，則夏季制冷總放熱量計算如下：Qf=2014.7kW×90×8×3600=5.22×1012J;冬季制熱總吸熱量計算如下：Qs=1581.2kW×150×8×3600=6.83×1012J。由此計算出系統(tǒng)冷熱不平衡率高達(dá)30.8%，據(jù)地源熱泵相關(guān)文獻(xiàn)資料規(guī)定，土壤源熱泵系統(tǒng)冬夏冷熱不平衡率不應(yīng)大于15%，該土壤源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，且無其他輔助加熱系統(tǒng)，使用一定年限后的土壤源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)的冷堆積現(xiàn)象而導(dǎo)致的冬季運(yùn)行狀況較差。

　　3 熱平衡解決方案

　　3.1熱平衡解決方案的選擇

　　由于該土壤源熱泵系統(tǒng)全年向土壤的放熱量小于吸熱量，使用一定年限后的土壤源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)的冷堆積現(xiàn)象而導(dǎo)致的冬季運(yùn)行狀況較差。當(dāng)進(jìn)水溫度過低導(dǎo)致熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度低于4℃時，機(jī)組就會因蒸發(fā)溫度過低而自動停機(jī)保護(hù)[5]。針對熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)的冷堆積現(xiàn)象，本項目采用太陽能集熱系統(tǒng)作為補(bǔ)充熱源，將系統(tǒng)冷、熱不平衡率控制在可接受的范圍內(nèi)，以保障系統(tǒng)的長期有效運(yùn)行，詳見圖3-1。

　　當(dāng)集熱器溫度T1與空調(diào)用板式換熱器溫度T2溫差≥10℃時，介質(zhì)循環(huán)泵P1啟動，將集熱器中熱介質(zhì)與空調(diào)用板式換熱器中的冷介質(zhì)換熱;當(dāng)兩者溫差≤4℃時，循環(huán)泵P1停止;當(dāng)集熱器溫度T1>95℃，且集熱水箱溫度T3>85℃時，介質(zhì)循環(huán)泵P1不啟動，集熱循環(huán)管道中的介質(zhì)受熱膨脹，膨脹量擠向膨脹罐中;當(dāng)集熱循環(huán)管道內(nèi)的壓力大于安全泄壓閥設(shè)定壓力時，安全閥自動打開，排出膨脹多余的介質(zhì);

　　冬季運(yùn)行：V1、V2、V3、V4開啟，同時關(guān)閉生活熱水板式換熱器，打開空調(diào)熱水板式換熱器，太陽能系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)同時運(yùn)行。夏季運(yùn)行：V3、V4關(guān)閉，V1、V2開啟，同時打開生活熱水板式換熱器，關(guān)閉生活熱水板式換熱器。過渡季節(jié)蓄熱運(yùn)行：V3、V4開啟，V1、V2關(guān)閉，空調(diào)系統(tǒng)不運(yùn)行，太陽能系統(tǒng)向土壤側(cè)蓄熱運(yùn)行。

　　3.2太陽能集熱器面積計算

　　太陽能集熱器面積計算公式[6]:

　　其中Ac——集熱器總面積㎡;

　　Q——日平均供熱負(fù)荷(W);

　　f——太陽能保證率，90%取值(大面積安裝);

　　J——日平均太陽輻照量J/㎡;

　　η1——集熱器熱效率，40%取值;

　　η2——管路及熱水箱熱損失率，15%取值。

　　根據(jù)不平衡計算得知每年地下的冷堆積熱量是1.61×1012J，解決每年地下的冷堆積熱量依靠每年冬季和過渡季節(jié)，主要是每年10月份到次年5月份，總計275天，日平均需熱量是67761 W，在此期間包頭市區(qū)總輻射是3879MJ/㎡[7]，日平均太陽輻照量是14105454J/㎡，則集熱器面積Ac=86400×67761W×90%÷17534246 J/㎡÷40%÷(1-15%)=884㎡。

　　3.2 太陽能集熱器的安裝

　　本項目現(xiàn)有頂層屋面的建筑面積為1552㎡，實(shí)際可放置太陽能板的面積1200㎡左右，所以可將所有太陽能集熱器統(tǒng)一安裝在現(xiàn)有頂層面，見圖3-2?？紤]到內(nèi)蒙包頭的天氣因素，采用熱管式真空管太陽能集熱器，比平板型集熱器蓄熱能力高，并且在下雪時要優(yōu)于平板型。太陽能集熱器最佳傾斜角度的確定，應(yīng)根據(jù)使用周期內(nèi)收集的太陽能最多為原則，本工程實(shí)際安裝角度為40°。

　　4 結(jié)論與建議

　　以供暖為主的中國北方寒冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行一定年限后會由于冷熱不平衡造成冷堆積現(xiàn)象，造成室內(nèi)滿足不了空調(diào)要求，為了避免冷堆積現(xiàn)象的發(fā)生，一定要進(jìn)行系統(tǒng)熱平衡計算，不平衡時需要采取輔助的熱平衡方案。由于中國北方寒冷地區(qū)的太陽能資源非常豐富，建議在熱平衡方案選擇時優(yōu)先考慮太陽能系統(tǒng)作為熱平衡輔助系統(tǒng)，同時可以解決部分生活熱水的需求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 黃奕沄,張玲,陳光明.地源熱泵研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī),2003,24(1):6-10

　　[2] 王貴玲,文靜,張薇.我國主要城市淺層地溫能利用潛力評價[J].建筑科學(xué),2012,28(10):1-8

　　[3] 魏俊輝.利用太陽能解決地源熱泵冷堆積問題初探[J].樓宇自動化,2012,(10):59-63

　　[4] 毛會敏.土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與經(jīng)濟(jì)性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007:21

　　[5] 施全彬.淺談地埋管熱泵系統(tǒng)的熱平衡解決方案[J].機(jī)電信息,2012,(21):44

　　[6] 何梓年,朱敦智.太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009, 5

　　[7] 夏雪蓮,蘇日娜.包頭市太陽能資源及其開發(fā)利用前景分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技,2011,(5):81-82