利用太陽能解決地源熱泵冷堆積問題初探

文｜ 北京勘察設計研究院有限公司 魏俊輝

1 引言

地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源的高效、節能、環保型的能源利用技術。使用地源熱泵，只需輸入少量的高品位電能，即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。冬季，它把地能中的低品位能“取”出，提高溫度后，供給室內采暖；夏季則把室內的熱量“取”出，釋放到地能中去。

但是，地源熱泵系統存在土壤溫度場的恢復問題。在冬季運行期間，地源熱泵系統地下埋管換熱器的吸熱主要依靠埋管換熱器內流體與周圍固體介質之間的換熱來實現，這一過程同時伴隨著地下埋管周圍介質溫度的降低。隨著地源熱泵系統連續、長期的運行，如果從地下過多地取熱，勢必因熱量累積效應，造成土壤溫度場得不到有效恢復。這將直接影響地下埋管換熱器的換熱性能，進而影響熱泵系統的制熱效率（COP）。

我國地域遼闊，很多地區全年冷、熱負荷差異較大，導致許多地源熱泵項目全年取、放熱量不均。另外，有些項目也因自身的特殊性，存在全年取、放熱量差異較大的問題。這些項目僅靠地源熱泵系統冬、夏季運行，無法保證地埋管換熱器區域巖土體冷、熱平衡，系統的運行存在諸多隱患。

為使常年取熱量大于放熱量的地源熱泵系統長期、高效運行，可以采用太陽能回灌填補土壤熱量損失的方法。該措施具有巨大的優勢：太陽能是一種潔凈的可再生能源，有著常規礦物燃料無可比擬的優越性，是地源熱泵系統較為理想的輔助熱源；我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上的地區年日照時數大于2000h，年日照量在5×106kJ/m2以上。

由于太陽能存在兩個主要缺點，即能流密度低和強度受各種因素（季節、地點和氣候等）的影響不能保持為常量，單獨利用太陽能對建筑物進行供暖一般很難滿足要求，尤其是在寒冷地區。所以，將熱泵技術和太陽能利用結合起來，使用太陽能為地埋管系統補熱，既可以利用土壤的蓄熱特性實現太陽能的跨季節蓄熱，又可以保證地埋管地源熱泵系統的正常運行，更大范圍地應用可再生能源，具有廣闊的發展前景。下面，就結合一個工程實例來介紹利用太陽能回灌填補土壤熱量損失的方式。

2 工程概況

某地源熱泵項目，位于河北省廊坊市，建筑面積為20016.84m2，其中辦公面積為4975.6m2，廠房面積為15041.24m2。根據業主要求，冬季需為辦公區域和廠房區域供暖，辦公區域室內設計溫度為18℃，廠房區域室內設計溫度為10℃；夏季僅需對辦公區域進行空調制冷，室內設計溫度為26℃。

經過計算，該項目的夏季空調冷負荷綜合最大值為400kW，冬季空調總熱負荷為1255kW。

3 空調方案

3.1 方案說明

本項目集中設置冷、熱源，采用垂直埋管地源熱泵與太陽能綜合應用系統。考慮到本項目冷、熱負荷相差較大，地源熱泵運行會存在冷、熱不平衡，采用太陽能集熱系統作為補充熱源，將系統冷、熱不平衡率控制在可接受的范圍內，以保障系統的長期有效運行。非采暖季，太陽能得熱回灌地下以補償采暖季取熱過多導致的土壤冷、熱不平衡。

圖1為本項目方案流程示意圖。

（1）采暖季的方案流程為：

◆空調采暖用地源熱泵機組GHP1、GHP2、GHP3全部運行制熱；

◆閥門V1、V3、V5、V7手動關閉；

◆閥門 V2、V4、V6、V8、V11、V12 開啟；

◆地埋管循環泵B11、B21開啟；

◆空調末端循環泵B12、B22開啟。

（2）制冷季的方案流程為：

◆空調采暖用地源熱泵機組GHP1運行制冷；

◆閥門V2、V4、V6、V8手動關閉；

◆閥門V1、V3、V5、V7開啟；

◆地埋管循環泵B11開啟；

◆空調末端循環泵B12開啟；

◆空調采暖用地源熱泵機組GHP2、GHP3停止；

◆閥門V11、V12手動關閉；

◆地埋管循環泵B21關閉；

◆空調末端循環泵B22關閉；

◆閥門V9、V10手動開啟；

◆集熱系統一次泵、二次泵B31、B32開啟，將太陽能得熱儲存在豎井群中。

（3）春秋季的方案流程為：

◆空調采暖用地源熱泵機組GHP1、GHP2、GHP3全部關閉，停止工作；

◆閥 門 V1、V3、V5、V7、V2、V4、V6、V8、V11、V12手動關閉；

◆地埋管循環泵B11、B21關閉；

◆空調末端循環泵B12、B22關閉；

◆閥門V9、V10手動開啟；

◆集熱系統一次泵、二次泵B31、B32開啟，將太陽能得熱儲存在豎井群中。

3.2 主機選型

由于該建筑末端要求溫度在50℃～55℃，所以選擇三臺克萊門特公司的高溫螺桿式水地源熱泵機組PSRHH-1702，用于采暖、制冷。PSRHH-1702的具體參數如表1所示（其中制熱工況下熱水進出水溫度為50/55℃，地下進出水溫度為10/5℃；制冷工況下冷水進出水溫度為12/7℃，地下進出水溫度為25/30℃）。

3.3 地埋管換熱器設計

根據冬季從土壤中取熱的量確定土壤換熱器的孔數，取最不利情況下的計算結果作為依據。

表1 PSRHH-1702實用地埋工況參數表

3.3.1 埋管形式

土壤熱泵的地下埋管形式有豎直埋管和水平埋管兩種。本工程采用豎直埋管的形式，使用雙U型管——如此可在換熱效果相同的情況下，較采用同樣豎直埋管的單U型管方案減少20%的打孔數量。采用熱熔焊接制作成型的雙U型管，可增強管道的傳熱能力，且管路接頭少，承壓能力強，不易泄漏。

根據本工程特點，土壤換熱器采用HDPE100雙U型埋管方式。HDPE100的管徑為32mm，壁厚3mm，鉆孔直徑為150mm。考慮到井與井之間相互熱干擾的影響，確定埋管間距為5m×5m。鉆孔深度暫且定為100m。

3.3.2 管路計算

經計算，確定總井數為300孔，其中200孔用于蓄熱。為了防止夏季蓄熱孔干擾地源熱泵系統的制冷運行，蓄熱孔與地埋管孔群之間留有足夠的距離。

3.4 冷熱平衡分析

空調設計日逐時熱負荷、冷負荷如圖2、圖3所示。

圖2 空調設計日逐時熱負荷圖

圖3 空調設計日逐時冷負荷圖

負荷平衡情況如表2所示。

該系統全年累計耗冷量為1.774×109kJ，全年累計耗熱量為5.706×109kJ，垂直地埋管地源熱泵系統全年向土壤中排熱2.129×109kJ，從土壤中取熱4.755×109kJ，全年不平衡量為2.626×109kJ，全年不平衡率為55%。

3.5 太陽能集熱面積計算

該項目位于河北省廊坊地區。廊坊地區位于河北省的中部，緊鄰北京，年日照時數為3000～3200小時，水平面上的年太陽輻照量為5400～6700MJ/m2，屬于太陽能資源較豐富的地區，較適宜利用太陽能。

3.5.1 太陽能集熱器的形式

太陽能集熱器統一放置在屋面上，朝向正南，安裝傾角為30°。采用強制循環間接式非承壓系統，以水為集熱循環介質。

3.5.2 氣象參數

與太陽能集熱系統設計相關的該地區氣象參數如表3所示。

該系統4—10月利用太陽能蓄熱，因此計算得到每平方米集熱器年太陽總照射量為4.229×106kJ。考慮太陽能的集熱效率，經過計算可知，每平方米集熱器利用太陽能年蓄熱量為1.184×106kJ。

3.5.3 計算太陽能集熱面積

經計算，需增加太陽能集熱器的面積為2000m2。如此，垂直地埋管地源熱泵系統全年向土壤中排熱4.497×109kJ，從土壤中取熱4.755×109kJ，全年不平衡量為0.258×109kJ，全年不平衡率為5.4%，在可接受的范圍內。由此可見，將太陽能集熱系統與地源熱泵系統相結合，使系統全年不平衡率降低了50%，徹底解決了冷堆積的問題。

4 結束語

太陽能屬于可再生能源，且清潔無污染，資源豐富。在地源熱泵系統中引入太陽能，以地埋管換熱器作為季節性蓄熱技術的載體，把太陽能、地源熱泵這兩種技術有機地結合在一起的手段，由于融入了季節性蓄熱技術，既可以克服太陽輻射受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響的不足，又可以克服地源熱泵系統因全年吸排熱量不平衡而造成地下巖土溫度不斷降低的局限性——由于太陽能的輔助供熱作用，可以實現系統向地下排熱與自地下取熱的平衡，從而使地下溫度場的變化保持穩定，保證機組運行工況穩定。

綜上所述，太陽能與地源熱泵結合的復合能源利用技術可以集中兩種可再生能源的優點，同時彌補其各自的不足，是很有潛力的可再生能源建筑應用的技術。

表2 負荷平衡表

表3 該地區氣象參數表

1 GB50366-2005 地源熱泵系統工程技術規范.2009年版.北京：中國建筑工業出版社，2009

2 胡松濤，張莉，王剛.太陽能—地源熱泵與地板輻射空調系統聯合運行方式探討.北京：暖通空調編輯部，2005

3 徐偉.中國地源熱泵發展研究報告（2008）.北京：建筑工業出版社，2008

4 楊睿，韓敏霞.太陽能—地源熱泵組合空調、熱水系統的設計與應用.中國建設動態：陽光能源，2006

5 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術.北京：高等教育出版社，2006

6 徐偉.地源熱泵工程技術指南.2001