被動式冷卻塔補熱系統(tǒng)在貴州夏涼冬冷地區(qū)的運用與探討

羅登云

摘要：隨著國家對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用越來越重視，地埋管式地源熱泵在各個地區(qū)均得到了廣泛的運用，但系統(tǒng)在開發(fā)過程中尤其是在夏涼冬冷地區(qū)的運用中存在冷堆積問題，而被動式冷卻塔補熱系統(tǒng)，通過空氣與水的熱濕交換使水溫升高，并將熱量帶回地下，以較小的能量消耗實現(xiàn)向地下土壤補熱的目的。值得大力推廣。

關(guān)鍵詞：地源熱泵，冷堆積，冷卻塔、補熱系統(tǒng)。

前言：就解決地源熱泵系統(tǒng)冷堆積問題。目前行業(yè)內(nèi)的方法有多種，如采用燃氣鍋爐、風(fēng)冷熱泵，太陽能、冷卻塔與系統(tǒng)進行復(fù)合，對地埋系統(tǒng)進行補熱。其中冷卻塔被動式補熱系統(tǒng)因所需要的能耗少，總體造價較低。綜合性價比高，因此本項目選擇此系統(tǒng)進行補熱設(shè)計。

項目基本情況介紹

項目位于貴州省西部城市六盤水市，項目類型為居民住宅小區(qū)，包括24棟住宅樓、1棟社區(qū)服務(wù)中心及1棟幼兒園，共計26棟建筑，總建筑面積67412.74平方米，暖通面積為50049平方米;制熱總負荷為4950KW，制冷總負荷為4734KW;夏季室外干球溫度9.3℃，冬季室外干球溫度1.4℃;項目采用土壤源熱泵系統(tǒng)技術(shù)為建筑物提供熱源。根據(jù)前期熱物性測試計劃出地下土壤初始溫度為14.5℃。

由于項目樓宇較多，整個項目分設(shè)系統(tǒng)A和系統(tǒng)B兩個系統(tǒng)，共設(shè)置地埋換熱井840口，分布于項目的綠化帶地下，換熱井直徑150mm，井深120-130m，換熱井內(nèi)采用管徑為De32的PE雙U型地源熱泵專用管材。地埋井通過所在區(qū)域的二級集水器匯集，再輸送至機房內(nèi)的一級集水器，系統(tǒng)A和系統(tǒng)B分別通過3臺臥式離心水泵（兩用一備）形成閉合循環(huán)回路，地源熱泵機房設(shè)置在園區(qū)內(nèi)的專門地下室機房，系統(tǒng)A和B分別設(shè)置3臺螺桿式熱泵機組，共計6臺，單臺額定制冷量、制熱量分別為1287.3kW和1339.8kW。室內(nèi)系統(tǒng)采用一次泵變流量形式，循環(huán)水泵采用變頻臥式離心水泵。

項目取熱及排熱情況分析

在考慮全負荷運轉(zhuǎn)情況下，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砑皻夂蚯闆r，項目冬季供暖考慮120天，住宅樓每日供暖時間段為下午17：00—次日上午9：00，共計供暖時長為16小時，夏季制冷60天，每日供冷時間段為上午8：00—下午18：00，共計10小時，通過使用GLD地源熱泵計算軟件進行模擬，系統(tǒng)冬季年總?cè)崃?504000KWH，系統(tǒng)年總排熱量2840400KWH，由此推算可得系統(tǒng)每年需向地下取熱6663600KWH。根據(jù)熱平衡原理，若地下熱量得不到有效補充，勢必會造成埋管區(qū)域地下溫度大幅降低，進而影響系統(tǒng)的運行能效，嚴(yán)重的將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

被動式冷卻塔補熱系統(tǒng)的設(shè)計

為保證系統(tǒng)的正常運行，同時節(jié)約項目投資成本，本項目在設(shè)計時，進行了充分的比選，最終考慮了經(jīng)濟合理的冷卻塔設(shè)備作為補熱系統(tǒng)，利用冷卻塔水循環(huán)進行系統(tǒng)的補熱，從而保證系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。

冷卻塔作為傳統(tǒng)散熱設(shè)備，通常項目是將高溫?zé)崴械臒崃可l(fā)到空氣中，運行時循環(huán)水溫要比空氣濕球溫度低2℃—3℃，結(jié)合地區(qū)夏季氣候情況，冷卻塔運行時氣溫≥20℃，地埋管供水溫度為14.5℃，結(jié)合當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁氐淖兓紤]3℃的溫差。冷卻塔地埋側(cè)的進出水溫度為14.5℃/17.5℃。

按照3℃溫差計算，若要滿足補充6663600KWH熱量，冷卻塔需要選用流量在1000—1200m3/h，才能滿足補熱需求，因此項目選擇了4臺流量300m3/h冷卻塔，安裝在住宅樓頂，參數(shù)及設(shè)計圖紙詳見下圖。

補熱系統(tǒng)效果測試

項目于2019年6月竣工，同年冬季投入使用，使用時長為138天，冬季制熱運行完后，根據(jù)本系統(tǒng)安裝的監(jiān)測系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，地下溫度由系統(tǒng)建成時的初始溫度14.5℃降至冬季制熱完成后的14.0℃。在未開機制冷前，對補熱系統(tǒng)進行了測試。首先調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門開啟與關(guān)閉，開啟地源側(cè)水泵1臺，開啟4臺補熱用冷卻塔，冷卻塔自動運行，測試計劃累計運行240h，耗電量（5*4+80）*240=2400KWH，累計補熱63408KWH，測試結(jié)束后，通過監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)反饋，埋管區(qū)域地溫恢復(fù)到14.2℃。證明了補熱的效果十分顯著。

結(jié)論

本項目通過使用冷卻塔被動式補熱系統(tǒng)，保障了地源熱泵系統(tǒng)后期的正常穩(wěn)定運行，對延長系統(tǒng)的使用壽命起到了至關(guān)重要的作用。其次解決了系統(tǒng)的冷堆積問題，對于貴州西部六盤水、畢節(jié)等夏涼冬冷地區(qū)地源熱泵的運用起到了十分重要的保障。解決了本地區(qū)地源熱泵發(fā)展的技術(shù)難題，同時也證明了被動式冷卻塔補熱系統(tǒng)的現(xiàn)實可行性，為今后類似項目的推廣運用提供了切實依據(jù)。

參考文獻：（1）游田，吳偉等，復(fù)合補熱地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方法研究與運用，暖通設(shè)計，2015，（5）：34-38.

花莉，范蕊等，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的回顧與發(fā)展，制冷與空調(diào)，四川，2011，25（5）：518-525.

GB50366-2005（2009版）地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范，2005