能源塔—地埋管復合源熱泵系統跨季節蓄熱實驗研究

王建輝，王彥博，孫振鋒，劉自強，梁迎凱，彭國輝，王偉玉，劉 偉

（1.河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民財產保險股份有限公司石家莊市分公司，河北 石家莊 050000；3.河北省新能源技術推廣站，河北 石家莊 050021）

0 引言

傳統的土壤源熱泵系統將地下巖土作為一個巨大的蓄熱體。在夏季，熱泵系統將建筑房屋的熱量輸送并存儲到地下，從而降低建筑房屋的內部溫度；在冬季，將地下巖土中存儲的熱量輸送到建筑中為房屋供暖[1]，[2]。但是，在實際工程應用中，建筑物夏季的冷負荷和冬季的熱負荷很難達到平衡。特別是在嚴寒地區，建筑物夏季的冷負荷遠小于冬季的熱負荷，夏季向地下巖土存儲的熱量不能滿足冬季熱泵系統從地下巖土的取熱量，熱泵長期運行將會導致地下巖土的熱平衡受到破壞，土壤溫度將逐漸降低，熱泵系統的能效比也會逐漸降低，尤其是單獨使用土壤源熱泵進行冬季供暖（不進行夏季制冷）的地區，這一問題將會更加嚴重[3]，[4]。

針對土壤源熱泵系統長期運行導致地下巖土熱平衡受到破壞的問題，學者們提出太陽能輔助地源熱泵系統的運行方式，將太陽能作為土壤源熱泵輔助熱源，用太陽能的熱量來補充建筑冷熱負荷的不平衡，對土壤進行季節性蓄熱，有效提高了地埋管周圍土壤的溫度，進而提高了供暖期地源熱泵的供暖性能系數，使土壤源熱泵系統運行得更加可靠[5]～[8]。在實際工程應用中，當地太陽能資源情況、氣象條件、地理位置、太陽能系統的價格以及安裝條件等多種因素制約著太陽能的利用，對于太陽能資源較少或不適宜安裝太陽能系統的建筑，則不能應用太陽能輔助系統。

近年來，哈爾濱工業大學的孫海龍提出了一種適合于嚴寒地區的空氣熱源土壤蓄熱系統，將夏季高溫空氣中的熱量通過室外換熱器和地埋管換熱器儲存到地下土壤中，補償冬季供暖過程中所需的取熱量，保證了土壤溫度場的年平衡，實現了夏季熱能的跨季節儲存[9]。張姝提出了一種適合跨季節應用的空氣源蓄熱式土壤源熱泵系統，該系統選取夏季高溫空氣替代太陽能作為輔助熱源，利用室外空氣換熱器將夏季室外高溫空氣中的熱量輸送并存儲至地下巖土中，冬季再由熱泵從地下巖土中取熱為建筑供暖[10]，[11]。李炳田提出了一種復合補熱地源熱泵系統方案，即基于分離式熱管和蒸氣壓縮式熱泵構建的地源熱泵補熱機組，在非采暖季節，利用其從室外空氣中取熱對土壤進行高效補熱，解決土壤熱平衡問題[12]。

與太陽能輔助系統相比，空氣源蓄熱設備結構簡單，投資和維護費用較低。采用空氣源蓄熱方法代替太陽能蓄熱也能實現自然能量的跨季節利用，尤其是在太陽能利用受到限制的地區更具有優勢，為解決嚴寒地區應用土壤源熱泵冷熱不平衡問題提供了新途徑。但是，室外空氣換熱器僅依靠室外風機盤管與空氣進行簡單換熱，雖然空氣溫度較高便可蓄熱，但蓄熱效果低于太陽能蓄熱。

基于上述問題，本文利用能源塔替代太陽能集熱系統，在夏季利用土壤源熱泵地埋管系統進行跨季節蓄熱，解決在嚴寒地區，土壤源熱泵冷熱負荷不平衡造成的土壤溫度過低的問題。

1 能源塔—地埋管復合源熱泵系統跨季節蓄熱

近年來，為適應我國華中、華東等地區夏熱冬冷的氣候條件，一種新型的熱泵形式—能源塔熱泵系統逐漸發展起來，該系統采用能源塔與空氣進行換熱。能源塔也稱熱源塔，源于冷卻塔逆用吸熱理論。能源塔由冷卻塔改造制成，其外觀為塔形，利用自然界的空氣為冷、熱源，通過塔體與空氣進行熱交換，從而實現供暖、制冷以及制取生活熱水等多種功能的新設備[13]～[15]。

由于能源塔能夠吸收空氣中的低溫熱能，本文將能源塔與地埋管相耦合組成能源塔—地埋管復合源熱泵系統。夏季，利用能源塔吸收空氣中的熱量，并通過地埋管換熱器傳遞給土壤，為地下巖土的蓄熱；冬季，土壤源熱泵通過地埋管換熱器將儲存在地下巖土中的熱量取出，為建筑物供暖，解決了寒冷地區冷熱負荷不平衡造成的土壤溫度過低的問題。

能源塔—地埋管復合源熱泵系統示意圖如圖1所示。在夏季，關閉轉換閥12，開啟轉換閥11。此時，能源塔和地埋管換熱器14構成一個為土壤跨季節蓄熱系統，以提升地下土壤的溫度。能源塔利用工質吸收空氣中的熱量和空氣中水蒸氣的冷凝潛熱，通過板式換熱器10與地埋管換熱器14進行換熱，將熱量傳遞給土壤實現蓄熱。具體的蓄熱過程為能源塔中的工質（水）在循環泵9的作用下進入能源塔上部，通過布水器3均勻噴撒在填料4的上部，變為水膜順著填料4的表面下滑；電機1帶動風扇葉片2旋轉，產生上升氣流，下落的水膜與上升氣流進行換熱，充分吸收空氣中的顯熱和空氣中水蒸氣的冷凝潛熱；而后水膜匯集到集水盤7中，經過水過濾器8過濾后，進入板式換熱器10進行換熱；換熱后的水在循環泵9的作用下再次進入能源塔的上部，如此反復循環。在此過程中，地埋管換熱器14中的工質（水），在循環泵13的作用下，沿循環管路進入板式換熱器10，吸收熱量后，再進入地埋管換熱器14，將熱量釋放到土壤，從而為土壤蓄熱。

圖1 能源塔—地埋管復合源熱泵系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy tower-buried pipe composite source heat pump system

在冬季采暖期，關閉轉換閥11，開啟轉換閥12，工質（水）通過地埋管換熱器14吸收土壤中的熱量；然后，工質經過循環泵13進入熱泵主機15，并在熱泵主機15內放出熱量；最后工質再進入地埋管換熱裝置14進行換熱，如此反復循環，將儲存在地下土壤中的熱量取出升溫后利用用戶供暖末端17向建筑物供暖。

2 實驗系統

為了研究能源塔—地埋管復合源熱泵系統的蓄熱效果，建立了一套實驗系統。該實驗系統由能源塔、板式換熱器、整體式水源熱泵機組、控制系統和數據采集系統組成。該實驗系統采用一套整體式水源熱泵機組代替土壤源熱泵機組。整體式水源熱泵機組通過板式換熱器吸收能源塔熱量，而后利用風機盤管向外放熱，以此來模擬地埋管將熱量儲存到土壤。控制系統通過變頻器調節熱泵機組的功率來控制水源熱泵機組的出水溫度，模擬不同土壤溫度條件下，地埋管系統的出水溫度。該實驗系統可以更好地模擬能源塔—地埋管復合源熱泵系統，在不同土壤溫度條件下的蓄熱效果。實驗系統中能源塔由循環水流量為3 t/h的冷卻塔改造完成，循環泵功率為200 W，能源塔風機功率為35 W。在實驗系統中，熱泵機組進出口管路上安裝了溫度傳感器和流量傳感器，傳感器的測量精度為0.2級。利用DELPHI編程語言建立了數據采集系統，可以實時顯示并記錄熱泵機組進出口水流的溫度和流量，并根據溫度、流量數據實時計算并記錄能源塔的蓄熱功率。

3 實驗數據及分析

本課題組于2018年夏季進行能源塔土壤蓄熱實驗。本文利用水源熱泵機組出口溫度代表相應的土壤溫度，在水源熱泵機組不同出口溫度條件下對環境進行放熱，以此來模擬相應土壤溫度條件下能源塔—地埋管復合源熱泵系統的蓄熱效果。控制系統通過變頻器控制水源熱泵機組出口溫度分別為9，10，12，14，16，18℃。圖2為在水源熱泵機組出口溫度為9℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。由圖2可知，在水源熱泵機組出口溫度為9℃的條件下，能源塔的蓄熱功率與環境溫度呈正相關。實驗過程中，環境溫度的最高值為35.7℃，此時能源塔的蓄熱功率為9.34 kW；環境溫度的最低值為28℃，此時能源塔的蓄熱功率為8.45 kW；環境溫度平均值為30.8℃，能源塔蓄熱功率的平均值為8.94 kW。

圖2 在水源熱泵機組出口溫度為9℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況Fig.2 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 9℃

圖3為在水源熱泵機組出口溫度為10℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。

圖3 在水源熱泵機組出口溫度為10℃條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況Fig.3 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 10℃

由圖3可知，在水源熱泵機組出口溫度為10℃的條件下，能源塔蓄熱功率的變化趨勢和環境溫度的變化趨勢一致。在此階段，環境溫度的最高值為32.9℃，此時能源塔的蓄熱功率為8.74 kW；環境溫度的最低值為27.8℃，此時能源塔的蓄熱功率為7.76 kW；環境溫度的平均值為29.8℃，能源塔蓄熱功率的平均值為8.33 kW。

圖4為在水源熱泵機組出口溫度為12℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。

圖4 在水源熱泵機組出口溫度為12℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況Fig.4 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 12℃

由圖4可知，在水源熱泵機組出口溫度為12℃的條件下，實驗過程中，環境溫度的最高值為41.8℃，此時能源塔的蓄熱功率為7.31 kW；環境溫度的最低值為30.4℃，此時能源塔的蓄熱功率為6.43 kW；環境溫度的平均值為35.0℃，能源塔蓄熱功率的平均值為6.77 kW。

圖5為在水源熱泵機組出口溫度為14℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。由圖5可知，在水源熱泵機組出口溫度為14℃的條件下，實驗過程中，環境溫度的最高值為37.3℃，此時能源塔的蓄熱功率為6.92 kW；環境溫度的最低值為29.9℃，此時能源塔的蓄熱功率為6.12 kW；環境溫度的平均值為33.2℃，能源塔蓄熱功率的平均值為6.31 kW。

圖5 在水源熱泵機組出口溫度為14℃的條件下，環境溫度和能源塔隨時間的變化情況Fig.5 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 14℃

圖6為在水源熱泵機組出口溫度為16℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。由圖可知，在水源熱泵機組出口溫度為16℃的條件下，實驗過程中，環境溫度的最高值為37.7℃，此時能源塔的蓄熱功率為5.55 kW；環境溫度的最低值為29.3℃，此時能源塔的蓄熱功率為5.15 kW；環境溫度的平均值為33.2℃，能源塔蓄熱功率的平均值為5.40 kW。

圖6 水源熱泵機組出口溫度為16℃條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況Fig.6 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 16℃

圖7為在水源熱泵機組出口溫度為18℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況。由圖可知，在水源熱泵機組出口溫度為18℃的條件下，實驗過程中，環境溫度的最高值為37.7℃，此時能源塔的蓄熱功率為4.49 kW；環境溫度的最低值為28.8℃，此時能源塔的蓄熱功率為3.93 kW；環境溫度的平均值為32.3℃，能源塔蓄熱功率的平均值為4.16 kW。

圖7 在水源熱泵機組出口溫度為18℃的條件下，環境溫度和能源塔蓄熱功率隨時間的變化情況Fig.7 Changes of environmental temperature and the thermal storage power of energy tower with time when the outlet temperature of water source heat pump unit is 18℃

由圖2～7可以看出，能源塔的蓄熱功率受到環境溫度的影響較大，能源塔的蓄熱功率與環境溫度呈正相關，這是由于環境溫度越高，能源塔在空氣中的吸熱量越多，導致能源塔的蓄熱功率也就越大。

另外，能源塔的蓄熱功率還會受到地下土壤溫度的影響，水源熱泵機組出水溫度代表著相應的土壤溫度，在水源熱泵機組出口溫度分別為9，10，12，14，16，18℃的條件下，能源塔蓄熱功率的平均值分別為8.94，8.33，6.77，6.31，5.40，4.16 kW，能源塔的蓄熱功率隨著水源熱泵機組出口溫度的升高而進一步減小。在水源熱泵機組出口溫度為9℃的條件下，能源塔的蓄熱功率是水源熱泵機組出口溫度為18℃時，能源塔蓄熱功率的2倍以上，這表明土壤溫度越低，能源塔的蓄熱功率越高，能源塔向土壤蓄熱的效果越好。這是由于土壤溫度較低時，土壤與環境之間的溫度差較大，因此土壤蓄熱量較大，導致能源塔的蓄熱功率也有所提高。

實驗結果表明，嚴寒地區土壤源熱泵冷熱負荷不平衡會造成土壤溫度過低。在此條件下，夏季利用能源塔向土壤補熱，由于環境溫度較高，土壤溫度較低，導致能源塔的蓄熱功率較高，因此能源塔向土壤蓄熱的效果較好。

4 結論

為了解決嚴寒地區土壤源熱泵冷熱負荷不平衡造成土壤溫度過低的問題，本文提出了能源塔—地埋管復合源熱泵系統，并進行了跨季節蓄熱實驗，得到如下結論。

①能源塔的蓄熱功率會受到地下土壤溫度的影響，土壤的溫度越低，能源塔的蓄熱功率越高。

②能源塔的蓄熱功率會受到環境溫度的影響，能源塔的蓄熱功率與環境溫度呈正相關，當環境溫度升高時，能源塔的蓄熱功率隨之升高；反之，則降低。