阜陽地區地源熱泵冷熱平衡分析

王玉蓮 張茂榮

摘 ?要：該文對阜陽地區地源熱泵系統進行冷熱平衡計算。不同的空調末端形式，因同時使用系數存在差別，造成系統冷熱平衡是不同的。計算結果顯示地源熱泵系統的末端形式冬季采用地暖、夏季采用風機盤管比冬夏都采用風機盤管更有利于系統冷熱平衡。根據計算的數據分析了系統運行策略。同時針對該項目給出減少系統冷熱不平衡率的幾項技術措施。

關鍵詞：地源熱泵;冷熱平衡;末端形式

中圖分類號：TU831 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 緒論

地源熱泵是一種利用淺層地熱，包括土壤、地下水和地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機組向建筑物供冷供熱的系統，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調系統。在地源熱泵系統內地源相當于一個蓄冷蓄熱的載體，夏季通過熱泵空調向土壤（地下水、地表水）蓄熱，冬季通過熱泵空調向土壤（地下水、地表水）蓄熱。因此保證地源側的熱平衡是保證系統長期運行的重要因素。即在計算周期內，地源熱泵系統總的釋熱量與總的吸熱量應平衡。該文針對阜陽地區某小區的地源熱泵系統冷熱平衡計算，針對系統不同的末端形式進行計算分析，同時提出了保證系統長期運行的幾點建議。

1 項目概況

該項目位于夏熱冬冷地區，安徽省阜陽市。總供暖、制冷總建筑面積為15萬m2，其中包括高層住宅、多層，別墅、幼兒園等，共739戶。室內設計溫度夏季24℃～26℃，冬季16℃～18℃。

根據甲方要求：按照同時使用系數0.8配置冷熱源及其附屬設備。冷熱源采用地埋管地源熱泵系統，選用3臺螺桿式熱泵機組3臺，單機制冷量2 231 kW，制熱量2 231 kW，1臺離心熱泵機組，制冷量2 637 kW。

地埋管系統設置在小區地下車庫筏板下，分三個區域布置，埋設De25雙“U”形高密度聚乙烯管，埋管間距4.5密。地埋孔孔數按照熱負荷進行計算，共1 160孔，孔深120 m。采用冷卻塔作為夏季輔助冷源。空調末端：夏季采用風機盤管，冬季采用地暖。

2 冷熱平衡計算

2.1 不同末端形式冷熱平衡計算

根據住宅空調系統的不同的末端形式計算出地埋管冷熱不平衡率。忽略項目入住率的影響。根據計算結果提出系統末端形式及運行策略。降低冷熱負荷的不均衡性是減小對冷熱不平衡影響最直接有效的辦法。

冷熱負荷采用同時使用各空調區逐時冷負荷綜合最大值。冷熱平衡采用最熱月中典型日24 h內逐時負荷進行計算當日的冷熱量。每月按30天計，即可計算出當月的冷熱量。根據每月室外平均溫度計算出供暖季、供冷季的冷熱量，進行全年冷熱平衡分析。根據招標文件：空調運行時間夏季為5月20日～9月19日4個月;冬季為12月20日～3月19日3個月。計算時：空調系統負荷滿足冷熱負荷的需求，忽略系統負荷和室內所需負荷的不匹配性，忽略管道系統的冷熱損失。熱泵的效率按照5計算，單冷離心機效率6.3計算。

2.1.1 空調末端冬夏均采用風機盤管，計算系統的不平衡率

風機盤管采用時間當量計量系統。居住建筑夏季冷負荷同時使用系數在0.5左右。根據區域不同，該文計算采用空調系統同時使用系數0.55計算。冷熱不平衡率-73.41%，即排熱遠遠大于取熱，嚴重不平衡。該文通過計算提出相應的2種解決方案：①設置輔助冷源;②增設高溫熱泵機組制取生活熱水。

2種解決方案的運行方式及冷熱平衡計算：

①輔助冷源：設置一臺離心機組+冷卻塔作為輔助冷源。夏季供冷：開啟2臺地源熱泵機組+輔助冷源（離心機組+冷卻塔），冬季供熱：開啟3臺地源熱泵機組，經計算系統不平衡率10.2%，可滿足冷熱平衡需求。②增設高溫熱泵機組制取生活熱水。運行方式，夏季供冷：開啟3臺地源熱泵機組，開啟高溫熱泵熱水機組制取生活熱水。過度季：高溫熱泵機組制取生活熱水。冬季供熱：開啟3臺地源熱泵機組，高溫熱泵機組制取生活熱水。高溫熱泵機組的制熱量780 kW，供熱水時間：14 h/d。經計算系統不平衡率-11%，可滿足冷熱平衡需求。

2.1.2 空調末端

夏季采用風機盤管，冬季供暖采用地暖。地暖實施分戶熱計量，除別墅地暖分支路控制，其余建筑每戶設置一個分集水器及溫控系統，與風機盤管作為末端完全不同，風機盤管采用時間當量計量系統。夏季供冷系統每戶同時使用系數0.63。該文風機盤管同時使用系數為0.55，地暖的同時使用系數無參考可尋，該文計算地暖不同同時使用系數下熱平衡的變化趨勢。地暖系統的同時使用系數分別按照0.95、0.9、0.85、0.8、0.75計算熱平衡，計算結果如圖1。

從圖1可以看出：風機盤管同時使用系數為0.55的情況下，地暖系統同時使用系數在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，滿足冷熱平衡需求。

綜合2種不同的末端形式：空調末端冬夏均采用風機盤管，系統不平衡率-73.41%;空調末端：夏季采用風機盤管，冬季供暖采用地暖。風機盤管同時使用系數為0.55的情況下，地暖系統同時使用系數在0.85～0.95，不平衡率在-10%～4.5%，滿足冷熱平衡需求。因此可以看出：地源熱泵系統的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風機盤管比單一風機盤管更有利于冷熱平衡。

地熱平衡是一個相對復雜的過程，受很多因素影響。為防止出現取熱大于排熱的情況，系統預留其他輔助熱源接口，并預留輔助熱源的建筑條件，同時根據當地的氣候條件，可適當減少供暖天數減少取熱。

2.2 計算結果分析

從上述計算結果看，在阜陽地區，地源熱泵系統的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風機盤管比單一風機盤管更有利于冷熱平衡。冬夏均采用風盤時，解決冷熱不平衡的方案：①設置輔助冷源;②增設高溫熱泵機組制取生活熱水。

3 減少系統不平衡率的技術措施

（1）在地埋管系統總管路上增加“熱計量系統”，對地埋管系統的取熱量及放熱量進行統計、控制，為地埋管冷熱平衡提供準確的基礎數據。通過“人為”調整運行策略，達到地埋管的冷熱平衡。

（2） 別墅及洋房的地暖系統控制方式為“分支路”控制，其溫控器安裝在各個房間內;高層地暖系統控制方式為“總管路”控制，其溫控器安裝在客廳等區域。

（3）地板采暖采用“熱計量或者流量”等收費方式，減少系統熱量損耗。

（4） 預備一些調節地埋管系統冷熱平衡的預案，地埋管系統出現不平衡時啟動預案，象增加冷卻塔或者增設高溫熱泵機組，增加其他熱源接口。

（5） 夏季房間內風盤開啟時，有可能其他臨近房間未開啟，考慮到空氣流動及負荷滲透等因素，此時該房間的實際負荷要大于常規計算負荷。另外，在風盤選型時一般會適當選大一些。因此在核算空調“制冷量”或者“使用率”時應適當放大。

（6）為了確保地埋管系統運行安全，提高項目安全等級，及降低地埋孔的冷熱不平衡率，地埋孔分區設置，每個機組對應一個區域，每個區域分別設置測溫井，根據測得數值分區域運行熱泵機組。

（7）可以通過調整“供冷、供暖天數”來調節地埋孔的冷熱平衡問題。

（8）采暖室外臨界溫度，一般民用建筑低于5℃確定供暖天數，阜陽低區低于5℃天數供計71天。具體供暖天數由業主最終確認。

4 結論

該文計算阜陽地區地源熱泵系統的熱平衡，并針對不同的末端形式計算系統的冷熱平衡，同時給出了相應的解決方法。

空調末端冬夏均采用風機盤管，冷熱不平衡率-73.41%，即排熱遠遠大于取熱，嚴重不平衡。針對這種情況下不平衡率：該文通過計算提出相應的2種解決方案：①設置輔助冷源;②增設高溫熱泵機組制取生活熱水。地源熱泵機組與輔助冷源供冷，冬季地源熱泵機組供熱。多余熱量排入大氣;冬夏季供冷供熱均采用地源熱泵系統，增設高溫熱泵機組制取生活熱水。多余熱量用于制取該項目全年生活熱水。經計算，2種方案均可達到冷熱平衡。

從計算結果得出，在阜陽地區，地源熱泵系統的末端形式采用冬季采用地暖、夏季采用風機盤管比單一風機盤管更有利于冷熱平衡。冬夏均采用風盤時，解決冷熱不平衡的方案：①設置輔助冷源;②增設高溫熱泵機組制取生活熱水。

地熱平衡是一個相對復雜的過程，受很多因素影響。為防止出現取熱大于排熱的情況，系統預留其他輔助熱源接口，并預留輔助熱源的建筑條件及電氣條件，同時根據當地的氣候條件，可適當減少供暖天數。

同時該文針對本項目給出減少系統冷熱不平衡率的幾點建議。

參考文獻

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