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
1.2 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。

1.3 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。

2.1 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 10.1%， 50%负荷段占空调时间的46.1%， 75％负荷段占空调时间的 41.5%， 100％负荷段
占空调时间的2.3%。

生活热水每天24 小时开放。

2.2 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 4.5，制热COP 值为 2.8。

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=1583897.1 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 4.72kWh/(m ·年)，当不采用热回收而生活热水采用其他设备制取时为202.1kWh/ (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。

3.1 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：。

单孔模型示意图如图 2 所示。

对于实际工程来说，一般钻孔数量较多，为了考虑这种多个管井换热对地下的温度的影响，必须考虑关于管之间的相互影响，因此，在数值模拟建立模型过程中，管径排布采用11×11 方形布置形式，从而充分考虑多个管井换热对地下温度的影响。

地埋管管径32mm，埋管中心距离 2.5m，计算区域65m ×65m，采用四边形网格，网格数为328146。

在模拟中，做了如下假设：
①土层是初始温度为均匀的无限大介质，其热物性均匀且不随温度变化；
②地埋管与含水层的对流换热利用综合导热系数进行近似；
③由于考虑的是多年运行后地上排热对土壤温度分布的影响，因此在计算
中可以不考虑负荷周期性变化的影响；
④对于同一个地区外界的气象参数不会相差很
大，因此地上部分负荷的变化也相差不多，从而可以将地下换热器按照排热（冷）量等效为多个常年恒定的热源。