地源熱泵實際使用中的熱平衡問題

  地源熱泵是21世紀的一項最具有發展前途的具有節能和環保意義的制冷空調技術。

 

  地源熱泵優點：

 

  1.利用大地的蓄能作用，環保效益顯著。

 

  2.高效節能，運行費用低。

 

  3.運行安全穩定，可靠性高。 地源熱泵缺點：地源熱泵冬夏兩季向大地取熱量和排熱量不平衡。

 

  熱平衡問題分析：

 

  地源熱泵通過熱泵將大地中低位熱能提高，對建筑供暖，同時使大地中的溫度降低，即蓄存冷量以備夏季使用；夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下，對建筑進行降溫，同時在大地中蓄存熱量，以備冬季使用。

 

  這一特點決定了該項技術適用于夏熱、冬冷且冷熱負荷相當的地區。若該系統在冷熱負荷不平衡的情況下長期運行，將會使土壤溫度逐漸上升或下降，導致地埋管換熱器換熱環境惡化，換熱效率下降，從而影響熱泵機組的效率和運行的經濟性。

 

  以夏季和冬季不平衡率為3％和10％兩種條件，得出的結果如下：以五年為一個周期來看，土壤溫度逐年升高，溫升分別升高了0.81℃和2.77℃。地源熱泵系統在熱量不平衡率僅為10％的情況下運行五年，土壤溫度就明顯的升高了2.77℃，可以推想，若在熱平衡率更大時，若不采取必要措施，地源熱泵系統運行一段時間之后很可能就無法正常運行。

 

  解決方案：

 

  根據實測和理論計算，建議以不平衡率20％為界線，即在20％以下時由于土壤本身具有一定的熱擴散能力和蓄熱能力，熱量不平衡對熱泵的運行影響不大，不需要采取措施。當熱平衡率相差較大（20％以上），需要采取輔助措施：輔助供熱和輔助冷卻方式。稱為復和式地源熱泵系統。

 

  以熱負荷為主和以冷負荷為主的兩種情況分析： 1. 系統的釋熱量小于吸取熱量。  若地源熱泵系統在這種情況下長時間運行，將會使土壤溫度逐漸下降，使地埋管換熱環境惡化，降低換熱效率，使出水溫度降低，并造成熱泵機組的蒸發溫度降低，從而影響熱泵機組的效率和運行的經濟性。

 

  2. 系統的釋熱量大于吸取熱量。

 

  原理與上述相反，后果一樣。

 

  為解決這個問題并提高系統的經濟性，在地源熱泵系統設計時綜合考慮。系統的釋熱量小于吸取熱量，可考慮按照夏季的冷負荷計算地埋管換熱器、熱泵機組及附屬設備規格型號，而在冬季高出夏季的那部分負荷則采取輔助供熱的方式補充。可采用帶有太陽能集熱器的太陽能－地源熱泵系統。若按2，可考慮按照冬季的工況選擇地埋管換熱器、熱泵機組及附屬設備規格型號，而夏季高出冬季的那部分負荷則采用輔助冷卻的方式來補充。宜采用帶有冷凝熱回收裝置提供生活熱水的地源熱泵系統或冷卻塔、冷卻池等混合式地源熱泵系統。由壓縮機排出的高溫高壓的制冷劑氣體首先經過板式換熱器，將熱量傳給生活熱水從而使得進入冷凝器的制冷劑溫度大大降低，經過處理的自來水在板式換熱器中得到熱量，被加熱后流入生活貯水箱，經過循環后達到60℃的生活熱水標準。這種方式在夏季時不但降低了冷凝溫度，提高了機組性能，而且使廢熱得到有效利用，但冬季要消耗部分地

 

  源熱泵有效熱量。

 

  結論：

 

  1. 確定使用混合式地源熱泵系統的依據應該是建筑物的負荷特性而不是建筑物的所在地。

 

  2. 計算系統向地下釋放的熱量和從地下吸取的熱量應該是逐時累計值，而不是夏季設計日的最大小時的冷負荷之與冬季設計日的最大小時的熱負荷值。

 

  3. 冷凝熱回收裝置冷卻塔輔助散熱的混合式地源熱泵系統應用于冷負荷大于熱負荷的實際工程中能有效地解決熱不平衡的問題，而且可以改善地埋管換熱器的換熱環境，提供機組的效率，降低初投資和運行費用。