閔科峰

夏熱冬冷地區(qū)復合式地源熱泵適宜性研究

閔科峰

長沙北辰房地產開發(fā)有限公司

夏熱冬冷地區(qū)，單一地源熱泵系統(tǒng)的使用會出現(xiàn)土壤溫度逐年增高，系統(tǒng)效率逐年下降的問題。為了解決這一問題，人們提出了復合式地源熱泵系統(tǒng)的解決方案。本文從氣候、地質、經濟性以及控制策略幾點出發(fā)來討論復合式地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的適宜性。

夏熱冬冷地區(qū)，復合式地源熱泵，適宜性

0引言

地源熱泵系統(tǒng)受到了越來越多的關注，在工程實踐中也成為更多人的選擇。地源熱泵系統(tǒng)可分為地耦合水源熱泵系統(tǒng)、地下水水源熱泵系統(tǒng)以及地表水水源熱泵系統(tǒng)[1]。地源熱泵系統(tǒng)運行的效果及其穩(wěn)定性在很大程度上取決于冷熱源的優(yōu)劣程度及其穩(wěn)定性。氣候往往是影響冷熱源好壞的最主要原因，而其穩(wěn)定性則主要取決于全年累計冷熱負荷的平衡性。夏熱冬冷地區(qū)是典型的以冷負荷為主導的區(qū)域，建筑全年所需要的冷負荷大于熱負荷，長此以往會帶來地表水、土壤以及地下水溫度的升高，從而影響地源熱泵系統(tǒng)的運行。復合式地源熱泵恰好能夠利用冷卻塔的輔助散熱來很好地解決這一問題。本文將以并聯(lián)式冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)為例展開討論。

1夏熱冬冷地區(qū)氣候與地質特點

1.1氣候特點

從建筑熱工角度將我國劃分為五個氣候區(qū)：嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖及溫和地區(qū)。與其他四大氣候區(qū)相比，夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點為：夏季悶熱，冬季濕冷，日夜溫差小；降雨量大，日照較少，春末夏初為梅雨期，陰雨天氣較多。

夏季天氣炎熱，且濕度較大，月平均氣溫在25～30℃，有些地區(qū)最高溫度能夠達到35℃以上，環(huán)境濕度常年保持在75%左右。晝夜溫差小，白天悶熱有風，夜晚多為無風天氣。冬季天氣寒冷、潮濕，最冷月平均溫度在0～10℃之間，其中日平均溫度＜5℃的天數最多可達90天[2]。為了滿足居民對生活舒適度的要求，夏季需要制冷，冬季需要供暖。

1.2地質特點

夏熱冬冷地區(qū)主要位于長江流域附近，主要區(qū)域為上海、江蘇、浙江、江蘇、福建、江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州等14個省市。該地區(qū)土質松軟，由于降水量較北方相對豐富，因此其土壤含水率較高，地下水含量也相對豐富。與北方相比打孔的難度低，大大降低了打孔的成本，同時也減少了土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資[3]。除此之外，夏熱冬冷地區(qū)地下水儲量豐富，也是使用地下水源熱泵系統(tǒng)的適宜地區(qū)。

2建筑的負荷特點

夏熱冬冷地區(qū)是典型的冷負荷主導區(qū)域，全年的累計冷負荷大于熱負荷。據相關數據統(tǒng)計[4]，該地區(qū)酒店類建筑的負荷特性參數（全年逐時積累冷負荷與熱負荷的比值）平均值為1.82，辦公類建筑為2.36，住宅類建筑為1.2?？梢钥闯?，辦公類建筑負荷的累積效應最為明顯，而住宅類建筑不明顯。這是由于辦公類建筑運行時間為白天，夏季白天的逐時冷負荷大于冬季的逐時熱負荷，且夏季的運行時間比冬季長等諸多原因造成的。整體上看冷熱負荷的失衡情況明顯，從長遠角度來看，夏熱冬冷地區(qū)對復合式地源熱泵的需求是顯然的。

3地源熱泵系統(tǒng)的特點以及影響因素

3.1特點

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地熱能，將地表水、土壤以及地下水中儲藏的低品位能源應用到建筑的制冷和供熱中。該系統(tǒng)是一種環(huán)保、清潔、高效的熱泵系統(tǒng)。以土壤源熱泵系統(tǒng)為例，通過地埋管換熱系統(tǒng)，將土壤中的低品位冷輸送到用戶端。與常規(guī)熱泵系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：該系統(tǒng)能耗比較低，土壤溫度在夏季時較空氣溫度低，冬季較空氣溫度高，并且常年趨于穩(wěn)定。

4冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)的提出

地源熱泵由于其自身節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，在全世界范圍內得到了充分的應用。但是如果地源熱泵系統(tǒng)承擔的負荷較大，往往會出現(xiàn)取熱與放熱不平衡的現(xiàn)象，長此以往，將會導致土壤溫度上升或下降的后果，對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。在我國夏熱冬冷地區(qū)表現(xiàn)為散熱多于取熱，這主要是由于夏季負荷強度大于冬季，并且夏季機組的運行時間長于冬季造成的。而這一問題大大地限制了地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的應用與發(fā)展，為了解決這一問題，人們提出復合式地源熱泵系統(tǒng)這一方案。該系統(tǒng)利用輔助冷卻裝置來承擔部分負荷，在維持土壤熱平衡的同時，也降低了系統(tǒng)的初投資，提高了系統(tǒng)的經濟性與運行可靠性。最常見的輔助冷卻設備為開式的冷卻塔[5]。

早在1995年，ASHARE就提出了以冷負荷為主導建筑的復合式地源熱泵系統(tǒng)的設計程序[6]，并提出了一系列的指導方針。

5影響冷卻塔運行的因素

空調系統(tǒng)中最常使用的為開式冷卻塔，本文就以開式冷卻塔為例，來探究冷卻塔在夏熱冬冷地區(qū)的適宜程度。在開式冷卻塔中，水與空氣直接接觸，依靠空氣與水的溫差換熱以及水的氣化潛熱來降低水溫。因此影響冷卻塔冷卻效果的最主要因素是空氣的濕球溫度。

冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)屬于冷卻塔供冷形式中的間接供冷。以間接供冷小時數來衡量各地區(qū)對冷卻塔的適宜程度。通過查閱文獻[7]和[8]，以全國不同氣候區(qū)典型城市（哈爾濱、北京、上海、廣州、昆明）為例，假設冷卻塔的供冷溫度為13℃，換熱器溫差為1.7℃，系統(tǒng)運行時間為9小時，對這幾個城市的氣象資料進行統(tǒng)計，理論最大小時數，如表1

表1全年供冷時間（h）

3.2影響因素

最常見的地源熱泵系統(tǒng)為土壤源熱泵系統(tǒng)，管材相同的土壤源熱泵，對其換熱器性能影響的主要因素包括：土壤溫度的分布情況、地下含水量以及其遷移速率、土壤的導熱系數和熱擴散系數。夏熱冬冷地區(qū)全年雨量充沛，土壤的含水量較高，有利于土壤與換熱器之間的換熱。

上述數據為全年供冷小時數，顯然全年需要供冷的城市，尤其是在北方城市很少見到。夏熱冬冷地區(qū)大多數城市位于南方，其供冷的時間一般來講長于北方。表1在一定程度上能夠反映出在夏熱冬冷地區(qū)中適宜冷卻塔運行的城市。

6 復合式地源熱泵經濟性分析

地源熱泵系統(tǒng)的初投資比傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)的初投資大，其費用主要消耗在打井和管材上，尤其是打井占了初投資的很大比重。地熱泵系統(tǒng)中最常見埋管形式為垂直埋管，垂直埋管的費用一般約100元/m，如果地質緊密或者摻有碎石會大大增加打井難度，打井費用也會相應增加。冷卻塔的引入會減少地源熱泵系統(tǒng)中的埋管長度，減少豎井的數量，從而減少了整個系統(tǒng)的初投資。除此之外，還減少了土地的使用面積，節(jié)約了土地。但同時也相應地增加了系統(tǒng)的運行費用。只有合理地調配二者制冷量的比例才能達到經濟性的要求，但從長遠來看，即使總投資上有所增加，但是復合式系統(tǒng)能很好地保持系統(tǒng)的長期運行性能和效果。

以長沙北辰三角洲B2區(qū)精品酒店復合式地源熱泵項目為例。該項目位于長沙市開福區(qū)與瀏陽河南向交匯處，總建筑面積約為20000.00m2，空調熱負荷為1226kW，冷負荷為2860kW，熱水負荷為436kW。豎直埋管單位長度的換熱量為45W/m，井深為100m，打井費用為7000元，管材費用為3.5元/m，則埋管費用為元1050元/kW。建筑物冷熱負荷高峰期可由冷卻塔來承擔部分負荷，假設冷凍水與冷卻水的進出口溫差相同，機組的EER為4，則單位負荷所需要的冷卻水量為：

式中：Q1為冷卻水排熱量；Q2為冷凍水吸熱量。

可得出冷卻水量為0.214t/kW，市場冷卻塔價格約為200元/t，則增加的費用為42.8元/kW，且水泵為同一型號。詳細費用如表2所示。

表2初投資費用表（元/kW）

復合式地源熱泵與傳統(tǒng)型的地源熱泵相比，其運行費用會增加。一般來說冷卻塔承擔的負荷比重越大其增加的運行費用越多，增加費用的多少與其系統(tǒng)的設計和采用的設備類型有關。但總的來看，采用合理冷卻比例的復合式地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)更經濟。

7復合式地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略

復合式地源熱泵除了要準確選擇輔助散熱裝置的規(guī)格以外，還要設計出在整個系統(tǒng)中開啟及關閉輔助散熱裝置控制條件，確定出運行控制方式。只有合理的設計才能充分展現(xiàn)出在全年負荷不平衡地區(qū)使用復合式地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢。

常用的的控制策略可分為三種：設定溫度控制、溫差控制、開啟時間控制。除此之外，很多學者對復合式地源熱泵系統(tǒng)的運行策略進行了優(yōu)化，其中華中科技大學於仲義等[9]根據制冷季節(jié)機組的運行情況，對其運行進行了優(yōu)化。在制冷初期負荷呈上升趨勢，末期成下降趨勢，因此可制定初步的運行策略：前期由于室外溫度相對較低，主要以冷卻塔制冷為主；中期冷負荷逐漸上升到峰值需要冷卻塔與地埋管系統(tǒng)一起工作，協(xié)同為建筑供冷；末期與前期運行策略相同。具體的來講：

1）當冷卻塔能夠達到的冷卻溫度低于冷凝器要求的全年平均進水溫度時，且冷卻塔的冷卻容量能夠滿足冷凝器換熱要求時，采用單獨使用冷卻塔運行的策略。

2）當冷卻塔能夠達到的冷卻溫度低于冷凝器要求的全年平均進水溫度，但大于實際的冷凝器進水溫度，且不能滿足冷凝器換熱量時，采用單獨使用地埋管運行策略。

3）當冷卻塔能夠達到的冷卻溫度高于冷凝器要求的全年平均進水溫度，且大于實際的冷凝器進水溫度，同時地埋管換熱量不能滿足冷凝器換熱量時，采用冷卻塔和埋管同時使用的策略。

8結論

1）夏熱冬冷地區(qū)氣候比較惡劣，夏季需要制冷，冬季要供熱。該類地區(qū)地質松軟，地下水含量豐富，適宜使用地源熱泵系統(tǒng)。但由于存在全年冷熱負荷不平衡問題，制冷效果逐年下降，能耗增加，復合式地源熱泵的提出很好地解決了這一問題。

2）冷卻塔是最常見的輔助性散熱設備，其運行的良好性在一定程度上影響整個系統(tǒng)的效果。本文從全年冷卻塔的使用時間來分析其在夏熱冬冷地區(qū)冷卻塔的適宜性，從數據來看，五大氣候區(qū)中夏熱冬冷地區(qū)為較適宜地區(qū)。

3）復合式地源熱泵系統(tǒng)會減少初投資的費用，冷卻塔承擔的冷卻比例越大減少的初投資也就越多；但同時也會增加系統(tǒng)的運行費用，一般來講與冷卻塔的冷卻比例成正比。但是合理冷卻比例的復合式地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)更經濟。

4）復合式地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略的優(yōu)劣直接影響到了系統(tǒng)的運行費用，良好的運行控制策略能夠保持土壤的熱平衡，提高系統(tǒng)的運行效率，降低運行能耗。

[1]汪訓昌.關于發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的若干思考[J].暖通空調,2007, 37(3):38-43

[2]牟志平,夏義全.關于夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能的思考[J].建筑節(jié)能,2007,35(11):57-60

[3]蔣崴,金培彪.夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵空調系統(tǒng)的可行性研究[J].大眾科技,2010,(8):143-144

[4]許磊.夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵技術的應用研究[D].南京理工大學,2013.

[5]ZishuQia,Qing Gao,Yan Liua.Status and development of hybrid energy systems from hybrid ground Source heat pump in China and other countries[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2014,29:37-51

[6]Caneta Research Inc.Commercial/Institutional Ground-Source Heat Pump Engineering Manual[M].Atlanta:ASHRAE,1995

[7]馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷系統(tǒng)運行能耗影響因素的研究與分析[J].暖通空調,2000,30(6):20-22

[8]漆海兵.冷卻塔供冷系統(tǒng)設計研究[J].制冷技術,2013,33(2): 57-61

[9]於仲義,胡平放,王彬,袁旭東.混合式地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].暖通空調,2007,37(9):105-109

The Suita bility Study of Hybrid Ground Sourc e He a t Pum p in Hot Sum m e r a nd Cold Winte r Re gion

MIN Ke-feng
Changsha Beichen Real Estate Development Co.,Ltd.

In the hot summer and cold winter region,the use of a single ground source heat pump system(GSHP)have caused some problems,such as,the increasing soil temperature and the declining efficiency of the system.In order to solve this problem,people have proposed hybrid ground source heat pump system(HGSHP).This paper discusses the suitability of HGSHP in hot summer and cold winter region from five aspects including the climate,geology,economics and control strategies.

hot summer and cold winter region,HGSHP,feasibility

1003-0344（2014）05-057-4

2013-11-18

閔科峰（1982～），男，本科，工程師；湖南省長沙市開福區(qū)湘江北路1200號北辰三角洲項目建設指揮部（410000）；

E-mail:108754017@qq.com