地埋管地源熱泵系統夏季冷卻塔補熱研究與實踐

邵英秀，侯聰霞，王立群，王麗輝，鄭曉亮，張鵬飛.石家莊職業技術學院，河北石家莊 05008.河北建工集團有限責任公司冀發地源熱泵研究所，河北石家莊 050000

地埋管地源熱泵系統夏季冷卻塔補熱研究與實踐

邵英秀1，侯聰霞1，王立群1，王麗輝1，鄭曉亮2，張鵬飛2
1.石家莊職業技術學院，河北石家莊 050081
2.河北建工集團有限責任公司冀發地源熱泵研究所，河北石家莊 050000

單采暖地埋管地源熱泵系統幾乎都存在冬夏熱不平衡，冬季地埋管水溫過低的問題。利用夏季較高溫度的空氣進行冷卻塔逆向運行補熱是技術經濟比較好的方式。

地埋管；地源熱泵；冷卻塔補熱

1 冷卻塔補熱研究的技術路線

在城鎮化以及保障性住房建設中，地埋管地源熱泵系統幾乎100%是單采暖運行，都存在夏季補熱的問題，該問題的解決不但可以完善地埋管地源熱泵系統的設計、建造、運行，而且可以擴大地埋管地源熱泵系統的適用范圍。夏季地下巖土體的補熱是解決地埋管地源熱泵系統冬夏不平衡，保證單采暖地埋管地源熱泵系統長期穩定運行的唯一途徑。綜合考慮各種方案，在沒有余熱資源的條件下，利用夏季較高溫度的空氣通過冷卻塔逆向運行加熱地埋管換熱器中的水是技術經濟比較好的方式。冷卻塔補熱在國內外還是空白，課題組對冷卻塔補熱進行了系統研究，確定了冷卻塔選型要點和計算方法。

結合某小區地源熱泵項目對冷卻塔補熱的方式進行深入研究。在夏季室外濕球溫度高于20℃的情況下，通過循環水系統經冷卻塔吸收空氣的熱量實現循環水溫由17℃提高到23℃，較高溫度的循環水再輸送至地埋管系統與地下土壤（巖土）進行換熱，從而提高地下土壤（巖土）的溫度，實現熱量的跨季節儲存。課題主要研究路線如下：根據單采暖地下局部熱不平衡現象，建立熱量數據采集實驗系統并采集數據，然后進行數據分析并計算補熱量，確定冷卻塔逆向運行補熱方式及設備選型，最后進行系統補熱后數據采集處理，計算系統補熱后的供熱效果和效率提高。

2 冷卻塔補熱實驗系統建設

課題組在該小區地源熱泵項目上采用冷卻塔補熱的方式，建立實驗研究系統，研究冷卻塔補熱的相關問題。小區建筑面積78 924㎡，總熱負荷3 395.88kW，共設計100m深單U地埋管換熱器1 300個。實際測量該小區采暖季逐時熱負荷及總耗熱量，采用GLD地源熱泵計算軟件進行計算，冬季供暖120天，通過25年的計算機模擬，某小區冬季總耗熱量為6 595 031kWH（實測冬季總耗熱量為6 444 896kWH，與計算相差2.28%）。

模擬夏季配置總制冷量為4 800 000kWH空調，可以使得地下土壤冬夏熱平衡，25年地下巖土體平均溫度變化為1.1℃，考慮地下巖土體的溫度自然恢復能力，1.1℃溫升可以忽略不計。夏季配置空調向地下的排熱量即為夏季應補充的熱量，通過以上計算機模擬，夏季空調的COP值為3.4，即夏季空調向地下的排熱量（夏季補熱量）為：4800000+4800000/3.4=6211765（kWH）。

3 地下巖土體溫度場的總蓄熱量測試

冷卻塔作為吸熱設備，在運行時除了蒸發過程還存在冷凝過程是一個多變過程，循環水溫的極限溫度是空氣的濕球溫度，通常時間運行時循環水溫都要比空氣濕球溫度低2℃～3℃，結合北方地區的氣象情況，冷卻塔運行參數為：空氣濕球溫度＞20℃，地理管循環水溫度17℃～23℃，結合室外氣溫的變化取平均循環溫差3℃。循環水供回水溫度為18/15℃～23/20℃。

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》，該地區室外空氣溫度濕球溫度高于20℃的小時數為1700小時，夏季可用補熱空氣濕球平均溫度為22.95，則冷卻塔的吸熱量為6211765/1700=3 653kW，考慮氣象數據具有一定的離散性，循環水進出口溫差按3℃計算，本項目補熱選用1 000m3/h～1 200m3/h的冷卻塔能滿足夏季補熱需求。以上計算冷卻塔循環水進出口溫差按3℃計算。

表1 冷卻塔參數

風量（m3/h） 265000×2風機直徑（mm） 3800×2電機功率（kW） 15×2重量（自重）（kg） 7380×2重量（運行重）（kg） 18500×2進水壓力（kPa） 500×2 Dm 64 10m 63.1 16m 60.2噪聲dB（A）

工程施工完畢后，課題組于2015年夏季在該小區進行了補熱性能的測試。根據室外溫度的變化，冷卻塔自動運行，累計運行1 685h，給地下總計補熱6 277 210kWh，耗 電（37×3+30）×1685=237 585kWh，補熱系統COP=6277210/237585=26.42。地下土壤平均溫度恢復到15.2℃，略高于初始土壤平均溫度。

4 經濟效益分析

在安裝運行了一臺1 000m3/h的逆流式冷卻塔，對該小區的地埋管換熱系統進行補熱后，從當前的補熱情況看，冬季地埋管水溫基本在10℃以上，僅一個采暖季節省的運行費用就可回收增加冷卻塔的費用。直接經濟效益應用冷卻塔補熱系統后，冬季采暖可節省運行費用39.1萬元，折合4.95元/㎡；運用該項技術后，提高熱泵系統COP值1.2，可節省電能73.77萬kWh。采用冷卻塔補熱技術后，年節約電能73.77萬kWh，相當于節省標準煤298t，減排CO21093t，減少SO2排放0.77t、粉塵排放2.9t、NOX排放2t。

5 結論

1）冷卻塔夏季補熱系統的設計完善了地埋管地源熱泵系統的設計方法，補充現行地埋管地源熱泵系統設計時不考慮地下土壤可開采熱量的承載力，扭轉現行多數地埋管地源熱泵系統運行制熱量逐年衰減20%～30%的現象，降低地埋管安裝數量20%以上，提高冬季采暖時的地下溫度，降低地源熱泵系統整體運行費用。

2）采用冷卻塔對地下進行補熱，補熱循環水溫18/15℃，工藝補熱系統結構簡單，相對于空氣換熱器補熱，可以采用現行建筑設備市場上成熟的標準產品，無需做專門的產品研發生產，使用設備價格低、成熟度高，一次性投資低，設備運行效率高，在整體上降低地源熱泵系統總投資和總運行費用。

3）目前補熱使用的補熱用冷卻塔還是專為散熱設計的產品，在后期還需和設備生產廠家進行合作，進一步測試冷卻塔補熱時的各項參數相對于散熱時的變化，依此作為依據優化生產出一種更適合補熱用的冷卻塔，進一步提高冷卻塔補熱效率。

［1］GB 50366-2005 地源熱泵系統工程技術規范［S］，2005.

［2］任曉紅，孫純武，胡彥輝.U型埋管換熱器三維數值模擬和供熱實驗研究.重慶建筑大學學報，2004，26（5）：90-95.

［3］李元旦，張旭，周亞泰，等.土壤源熱泵冬季工況啟動特性的實驗研究.暖通空調，2001，31（1）：17-20.

TH3

A

1674-6708（2016）168-0224-02

本論文為河北省科技廳指令性課題“地埋管地源熱泵系統節能技術研究”（項目編號13274511D）的結題論文。

邵英秀，石家莊職業技術學院。

侯聰霞，石家莊職業技術學院。

王立群，石家莊職業技術學院。

王麗輝，石家莊職業技術學院。

鄭曉亮，河北建工集團有限責任公司冀發地源熱泵研究所。

張鵬飛，河北建工集團有限責任公司冀發地源熱泵研究所。