新疆地區太陽能-地源熱泵供暖系統設計與運行效果

■ 熱孜望·坎吉林閩李偉亮李衛華韓宇

（1.新疆太陽能科技開發公司；2.東北大學）

新疆地區太陽能-地源熱泵供暖系統設計與運行效果

■ 熱孜望·坎吉1*林閩1李偉亮2李衛華1韓宇1

（1.新疆太陽能科技開發公司；2.東北大學）

針對新疆地區的氣候特點及建筑能耗現狀，提出一種綜合利用太陽能和淺層土壤熱能的熱泵供暖空調系統，介紹系統的運行原理，結合當地的氣象條件和建筑情況對復合系統進行設計，并對系統的運行性能進行測試分析。結果表明：該系統基本滿足設計要求，系統的運行費用大幅降低，在新疆地區具有良好的應用前景。

太陽能；地源熱泵；供暖系統；運行費用

0　引言

近年來，隨著我國建筑業的蓬勃發展，建筑面積急劇增加，建筑供暖空調造成的能源消耗和環境污染已成為國家節能減排戰略的重要實施領域[1]。新疆地區處于嚴寒地區，建筑供暖空調能耗巨大，建筑供暖產生的煙塵是城市環境污染的主要來源，將熱泵技術與可再生能源結合利用是解決嚴寒地區供暖空調能耗問題的根本途徑。在節能減排的壓力下，各種形式的熱泵供暖空調系統在我國得到了廣泛應用，取得了一定的節能效果。但有很多系統未充分考慮熱源能量輸出特性與建筑負荷特性間的匹配關系，機械地推廣到嚴寒地區，導致系統運行經濟性和節能性均不理想，甚至有的還不能保證系統長期運行的可靠性。理論研究及工程實踐表明，單一熱源熱泵系統很難兼顧系統的節能性、經濟性及可靠性，多能互補耦合熱泵技術是未來的發展方向。

美國的Chiasson等[2]對太陽能復合地源熱泵系統進行了深入的模擬研究，對美國具有不同氣候特點的6個城市的氣候參數進行了長達20年的模擬分析，結果表明，聯合系統具有良好的節能效果。余延順等[3,4]對太陽能-土壤源熱泵系統在寒冷地區各種運行工況下的運行特性進行了研究，得出寒冷地區太陽能保證率及集熱器面積的確定方式。Trillat-Berdal等[5,6]對一棟180 m2獨棟住宅中承擔供暖的空調及生活熱水的太陽能-地源熱泵系統進行了試驗研究，結果表明，供暖期內熱泵供熱平均COP為3.75。Rad等[7]對太陽能復合地埋管地源熱泵系統在加拿大寒冷地區的應用進行了可行性研究，結果表明，相比單一地源熱泵系統，可減少的地埋管長度與集熱器面積的比例為7.64 m/m2，復合系統的經濟性優于單一地源熱泵系統。Kadir Bakirci等[8]實驗研究了太陽能復合垂直埋管地源熱泵系統在土耳其寒冷地區的運行性能，結果表明，在整個供暖期內熱泵和整個系統性能系數在3.0～3.4和2.7～3.0之間。韓宗偉等[9-11]分別通過實驗和模擬方式對嚴寒地區太陽能季節性土壤蓄熱和相變蓄熱輔助地源熱泵系統的運行性能進行了研究，結果發現，太陽能與地源熱泵的耦合既提高了系統的運行性能，還保證了系統的長期運行可靠性。林媛[12]搭建了關于太陽能-土壤源耦合熱泵系統的數學仿真模型，并且在求解仿真模型時給出了綜合換熱系數，同時還考慮了土壤與換熱器管壁的接觸熱阻，并對地下埋管換熱器周圍土壤的非穩態溫度場采取有限單元法進行了數值模擬，分析了埋管換熱器周圍土壤溫度的變化規律。

為了探索適合新疆地區的可再生能源供暖空調方式，本文在充分考慮新疆地區可再生能源特點和建筑負荷特性基礎上，從理論研究、關鍵技術研究及工程示范角度，對嚴寒地區多熱源互補熱泵系統構建方法和關鍵技術展開全方位研究，以推動新疆地區供暖空調節能減排工作的進行。

1　太陽能-熱泵供暖空調系統工作原理

基于新疆地區氣象條件的綜合分析，為了充分利用一年四季太陽能和淺層土壤熱能實現建筑可持續供暖空調效果，本項目采用太陽能季節性蓄熱與地源熱泵進行復合，同時兼顧夏季供冷需求，為此提出了太陽能季節性蓄熱復合地源熱泵系統，該系統原理圖如圖1所示。

圖1　太陽能季節性土壤蓄熱復合地源熱泵供暖空調系統圖

由圖1可知，該系統主要由太陽能集熱器、土壤換熱器(地埋管)、熱泵機組、輔助熱源、板式換熱器、供暖末端等組成。圖中蒸發器與冷凝器屬于同一熱泵機組，為了實現分階段調節，系統中可設置多個熱泵機組。太陽能集熱器采用并聯同程式陣列形式，土壤換熱器也采用并聯同程式連接。 該系統存在6種運行模式：

1)太陽能季節性土壤蓄熱模式。當在非供暖期或供暖系統停止運行時，可通過地埋管換熱器將集熱器收集到的太陽能蓄存在深層土壤中，以提高土壤換熱器周圍的土壤溫度，保障地源熱泵系統持續高效地運行。

2)太陽能土壤蓄熱同時土壤直接供冷模式。工業園內各建筑夏季空調負荷較小，而地埋管換熱器的換熱長度是按照冬季供暖工況確定的，換熱面積較大。因此，可利用一部分地埋管換熱器進行太陽能土壤蓄熱，另一部分進行空調供冷。當供暖結束后，一般土壤換熱器周圍土壤溫度較低，同時由于空調對象濕負荷較小，此時可利用土壤換熱器直接和土壤換熱制取冷水進行空調制冷，同時將空調排熱蓄存至土壤中，其效果有助于土壤溫度場的恢復。

3)太陽能直接供暖模式。供暖初期建筑物熱負荷較小，同時太陽輻射相對較強，經過長時間的蓄熱，土壤換熱器周圍溫度較高，太陽能土壤蓄熱效率相對較低，此時可利用太陽能直接供暖。

4)土壤源熱泵供冷模式。夏季當土壤直接供冷不能滿足要求時，將其作為地源熱泵的冷源供冷確保供冷效果。

5)土壤源熱泵供暖模式。當供暖期為夜間或陰雪天氣時，太陽能集熱器有效集熱量為零，此時運行土壤源熱泵進行供暖。

6)太陽能聯合土壤源熱泵供暖模式。供暖期內白天太陽能有效集熱，但太陽能直接供暖模式難以滿足供暖需求，此時可啟動土壤源熱泵進行聯合供暖。

2　太陽能-地源熱泵復合供暖系統設計

2.1示范項目概況

本項目示范點為新疆太陽能科技開發公司甘泉堡太陽能產品研發生產基地，位于烏魯木齊市高新區甘泉堡工業園，占地面積約10萬m2，位于44.4° N，87.7° E。表1給出了甘泉堡基地新建建筑規劃面積。

表1　甘泉堡基地新建建筑規劃面積

根據烏魯木齊地區的建筑設計規范，建筑外圍護結構按照節能建筑進行設計。該建筑周邊無城市熱網，為了保障園區生產和生活需求，同時作為研究基地探索研究適用于新疆地區的可再生熱泵供暖空調系統形式，應用太陽能集熱、季節性土壤蓄能、地板輻射供熱/冷等技術，進行利用太陽能、土壤熱能聯合熱泵技術供暖空調的研究與示范。

2.2建筑動態負荷特性計算分析

建筑動態負荷計算需結合不同建筑的性質、使用要求及建筑具體結構參數。根據烏魯木齊地區的氣象參數及建筑設計圖紙，結合工業園內擬新建的宿舍、餐廳、辦公樓、廠房的不同使用要求，利用DeST軟件對宿舍、餐廳、辦公樓、廠房進行了全年動態負荷模擬；并通過計算這些地方的全年動態負荷，確定建筑全年動態負荷特性。圖2為工業園內建筑全年逐時總負荷變化曲線，計算結果見表2。由表2可知，一期建筑最大熱負荷為1153.8 kW，因此可確定一期建筑熱泵機組容量為1200 kW。

圖2　甘泉堡基地新建建筑全年逐時總負荷變化曲線

表2　甘泉堡基地新建建筑全年總負荷計算結果

圖3為供暖期內工業園內一期建筑在不同熱負荷值范圍出現的時間統計。由圖3可知，一期建筑熱負荷值在600 kW以下出現時間較多，因此可采用兩臺以上的機組實現分階段調節。

圖3　甘泉堡基地新建建筑逐時負荷出現頻段統計

2.3地下土壤換熱區域地質勘測及土壤熱物性測試分析

2.3.1現場地質勘測情況

本項目中擬采用土壤熱能進行供暖，傳統的地源熱泵系統根據取熱形式的不同，可分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。上述3種形式的選擇與地質條件密切相關，在地下水豐富或地表水水源良好的地方，采用地下水或地表水的地源熱泵系統換熱性能好、換熱系統小、能耗低，性能系數高于地埋管地源熱泵系統。

現場勘測得到如下結論：

1)在勘探深度8.0～15.0 m，地層主要由表土和粉土構成；

2)場地地下水位埋深2.9～4.7 m，地下水類型為潛水，滲透性、富水性一般，地下水位年變幅為0.5～1.5 m。

3)場地環境水、土對建筑材料具有強腐蝕性；

4)場地標準凍土深度1.4 m。

此外，根據現場鉆探254.6 m取水井的結果來看，由地面至地下254.6 m的土壤類型如表3所示，相應土壤類型主要是粘土和砂質粘土，其滲透率較差，通過對取水井測試結果表明，單位涌水量為0.046 L/(s·m)。

表3　不同深度的地質類型

2.3.2巖土熱響應測試分析

在太陽能季節性蓄熱復合地源熱泵系統中，地下土壤換熱系統既是蓄熱換熱器又是地源熱泵的取熱器，其性能好壞直接影響整個系統的節能性和經濟性。在設計地下土壤換熱系統時不僅需考慮換熱區域的地質條件，還應知道土壤的準確的熱物性參數，因此在本項目設計之初，首先對現場土壤的熱物性進行了測試分析，測試過程中在不同位置對兩個鉆孔進行了測試，表4為測試孔基本參數。

表4　測試孔基本參數

通過測試可知，1#測試孔初始溫度為11.2℃，導熱系數為0.931 W/(m·℃)，容積比熱容為1.873×106J/(m3·℃ )；2#測試孔初始溫度為 11.3℃，導熱系數為0.879 W/(m·℃)，容積比熱容為1.969×106J/(m3·℃)。

2.4地下換熱系統的設計

地埋管區域地質構造以粘土層為主。地下100 m內主要由粘土、粉質粘土、黃土、細沙構成，比較有利于鉆孔，但導熱系數偏低、地下水量較小、地下水回灌較困難。所以在項目實施中，否定了實行水源熱泵系統方案，決定采用地源熱泵系統方案。

黨的十八大以來，云南省法院緊緊圍繞“努力讓人民群眾在每一個司法案件中感受到公平正義”的目標，堅持司法為民、公正司法，充分發揮人民法院審判職能作用，為鄉村經濟發展、社會和諧穩定作出了積極貢獻。2013年到2017年，131個基層法院審（執）結各類案件1460286件，占全省法院總結案數的75.15%。

單位孔深換熱量是地熱換熱器設計的一個極為重要的參數，它是確定換熱器容量、確定熱泵參數、選擇循環泵流量與揚程、計算地埋管數量與埋管結構等的重要依據。如果單位孔深換熱量取值偏大，將導致埋管數量偏小、循環液進出口溫度難以達到要求；進而導致熱泵實際的制熱、制冷量低于其額定值，使系統達不到設計要求。反之，如果單位孔深換熱量取值偏小，埋管數量將偏大，工程的初始投始資增大，但熱泵機組的運行費用將會降低[13]。

在地源熱泵運行的額定工況下，針對該地域深層巖土熱物性的測試情況，考慮到當地地溫初始溫度(11.3 ℃)、冬季地埋管循環液溫度設定(3 ～7 ℃)等因素，本項目地埋管換熱器采用雙U換熱器，其長度按照取熱工況選取，其單位孔深換熱器為23～26 W/m。

由于在本項目中進行了太陽能土壤蓄熱，埋管換熱器周圍的土壤溫度場可保持以年為周期的熱平衡，因此不需要增加埋管間距來緩解由于冬夏冷熱負荷不平衡而引起的長期運行性能下降的問題。本項目中確定地埋管換熱器間距為5 m，采用矩形排列，考慮到滲流對蓄熱效率的影響，矩形的短邊垂直于滲流方向。

2.5太陽能集熱系統設計

針對地源熱泵系統冬夏取、排熱不平衡問題，本項目采用太陽能集熱器集熱，并將熱量蓄存至土壤中以提升取熱井周圍土壤的溫度。在太陽能集熱、蓄熱系統設計時，依據現場可利用面積及系統陣列與周圍環境相協調的實際情況，太陽能集熱系統集熱面積為218 m2，集熱陣列由8組組成，每組為8臺集熱模塊。太陽能集熱器向正南偏西5°布置，傾斜角度為40°。太陽能集熱系統為開式常壓無儲熱水箱系統，運行采用溫差循環，溫差設置為8～45 ℃可調，其與地源側采用板式換熱器，換熱面積為20 m2。

圖4　太陽能集熱陣列現場

2.6太陽能-熱泵系統工程示范總體概況

對太陽能-淺層地熱復合源系統進行相關試驗研究后，在新疆太陽能科技開發公司甘泉堡生產研發基地進行應用示范。總建筑面積17513 m2，生產用鋼結構廠房面積為6700 m2(1層)，實驗樓面積為3500 m2(3層)，宿舍面積為 5700 m2(6層)，研發中心面積為1600 m2(2層)。太陽能-淺層地熱復合源系統采用約200 m2太陽能集熱采光面積，空調主機為地源熱泵機組(土壤換熱機組)，室內空調制冷、采暖方式部分為地板輻射采暖系統、部分為對流式風機盤管。

甘泉堡太陽能生產研發基地所有建筑總熱負荷約1200 kW，夏季制冷負荷最大約300 kW。采用兩臺型號規格相同的雙螺桿壓縮機熱泵機組(型號LSBLGRG-770MD，性能參數：制熱量620 kW，制熱功率147 kW； 制冷量661 kW，制冷功率118 kW)，滿載總功為236 kW；每臺機組有兩個壓縮機，可分別工作，單個壓縮機56 kW。地源側循環泵2臺11 kW、1臺15 kW按需分別開啟。供暖(制冷)循環泵2臺10 kW，一用一備。

圖5　熱泵機房現場圖

3　示范工程運行效果

2013年7月，太陽能儲熱部分完工，進行太陽能給土壤源儲熱的實驗，由于天氣原因于2013年9月25日開始供暖，2014年3月30日停暖，2014年6月30日開始制冷，2014年8月20日停止制冷。從目前該項目投運效果看，建筑冬季采暖和夏季制冷基本達到了設計要求，研發中心室內溫度為16～20 ℃，辦公樓室內溫度為18～22 ℃，職工宿舍室內溫度為14～18 ℃。2013～2014年冬季采暖運行費預期28萬元，本項目示范工程按實際建筑面積計算，則每平米建筑面積供熱耗電成本為15.9元；按當地熱力公司測算的建筑面積計算(鋼構廠房邊沿凈高13 m，最高處達17 m，熱損大，項目接入熱力公司管網供暖，1 m2至少要按3 m2計算)，則整個采暖季的采暖費用應為9.07元/m2。熱泵系統全年基本無污染物排放，項目經濟效益和環境效益均顯著，作為太陽能復合地源熱泵項目，達到了很好的示范效應，引起了較高的社會關注度，社會效應良好。

4　結論

由于嚴寒干旱地區土壤溫度較低(如約8 ℃)，處于地源熱泵正常工作溫度范圍(0～25 ℃)的低端，又因嚴寒干旱地區冬季采暖時間長(如約4300 h)及土壤傳熱能力較低，土壤溫度恢復能力較差，恢復時間較長，往往導致地源熱泵系統的“冬用夏灌”不平衡。太陽能-地源熱泵供暖系統通過復合利用太陽能和土壤熱能兩種熱能，能夠解決上述問題。系統的能效比COP比地源熱泵高出約50%，提高了地源熱泵系統的節能效果。嚴寒干旱地區太陽能資源良好，且太陽能輻射不受地點、位置和水文地質條件約束，太陽能-地源熱泵供暖系統使用地域廣泛，尤其適用于新疆、內蒙古、青海、甘肅、陜西北部、西藏等具有良好太陽能資源及冬季需要采暖的地區。

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2015-11-17

國家科技支撐項目(2012BAA13B00)

熱孜望·坎吉(1963—)，女，大學本科、研究員，主要從事新能源應用技術方面的研究。794941060@qq.com