孟方芳

（廣東省重工建筑設計院有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

現(xiàn)在科技不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，現(xiàn)在社會的用電結構，也包括電力負荷在建筑空調系統(tǒng)中也在不斷變化。這個比例正在增加。因為通常空調系統(tǒng)的電力在用電較多的白天需求較大，并且低壓部分的電力消耗很少，所以空調系統(tǒng)的電力消耗極大地加劇了電網峰谷差。如果能夠將空調制冷系統(tǒng)中使用的部分或全部電力在夜間轉換為低功率，轉移高峰負荷，那么它將平衡電力的峰谷差，從而為免費建設高峰電站節(jié)省投資，減少環(huán)境污染，并使電網負荷利用效率有所提升。以土壤作為熱源的熱泵系統(tǒng)因其使用可再生地熱能而被譽為21世紀最具前景的節(jié)能環(huán)?？照{技術。

基于集成制冷技術與土壤-土壤相互作用的整合，緩解我國供電形勢緊張，平衡電網的峰谷負荷與可再生淺層地熱能的利用，耦合熱泵技術要素和結果，提出了一種基于空調負荷和熱負荷補充的空調系統(tǒng)-土壤蓄積和土壤耦合熱泵的綜合系統(tǒng)。這個體系充分應用冷藏科技和土壤耦合熱泵科技的優(yōu)勢。它集成了蓄冷器和埋管換熱器，克服傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)存儲面積大，配置困難的缺點。在炎熱的夏季和暖冬地區(qū)，把土壤蓄熱和土壤耦合熱泵系統(tǒng)（GCHPS）聯(lián)系起來，經過特殊土壤蓄積方法控制和調節(jié)土壤溫度，以滿足土壤耦合熱泵系統(tǒng)長周期運行。同時，由于使用了土壤儲存，可以縮減地下熱交換器的大小，使系統(tǒng)更加經濟高效。

2 土壤蓄冷與耦合熱泵集成系統(tǒng)

在充分了解國內外土壤熱泵與蓄冰技術的發(fā)展與應用的基礎上，采用新技術對傳統(tǒng)技術進行改造，整合土壤熱泵與蓄冰技術要素與成果。該系統(tǒng)充分利用了凍土冷藏技術和土壤熱泵技術的優(yōu)勢。它還使土壤熱泵系統(tǒng)中的埋地熱交換器成為夏季冷藏空調系統(tǒng)中的冷藏裝置的兩倍，用于改造傳統(tǒng)冷藏系統(tǒng)和土壤耦合熱泵系統(tǒng)，并在此基礎上發(fā)展創(chuàng)新。如圖1所示，提出了一種土壤綜合冷藏和熱泵系統(tǒng)，不僅平衡電力峰谷差，還充分利用低品位能，節(jié)約能源。

圖1 土壤蓄冷與熱泵的集成系統(tǒng)流程圖

2.1 集成系統(tǒng)的工作原理

在夏季空調運行情況下，建筑物所需的部分或全部冷量通過電網低壓時的低成本電力儲存在土壤中，在發(fā)電高峰時段，儲存在土壤中的冷量被抽取出來用于空調系統(tǒng)以調節(jié)電力的高峰負荷；在需要冷卻的過渡季節(jié)，體系根據土壤耦合熱泵系統(tǒng)冷卻條件運行，系統(tǒng)的冷凝熱量被排放到土壤中，為土壤的季節(jié)性能量平衡進行補償，并根據冬季供暖條件儲存熱量。在采暖季節(jié)，體系根據土壤耦合熱泵系統(tǒng)的加熱條件進行，并且土壤被用作熱泵系統(tǒng)的低熱源。

2.2 集成系統(tǒng)的特點

（1）地下管道換熱器有兩個功能：①土壤耦合熱泵的低熱源；②冷藏空調系統(tǒng)中的蓄冷裝置。

（2）該系統(tǒng)是具有冷藏功能的土壤耦合熱泵系統(tǒng)。該組合物與簡單的冷藏系統(tǒng)不同，它無須安裝蓄冷裝置（冷卻儲水箱，蓄冰水箱等）。替代由土壤耦合熱泵系統(tǒng)組成的新系統(tǒng)，地下熱交換器的結構發(fā)生變化，實現(xiàn)冷藏庫系統(tǒng)與土壤耦合熱泵系統(tǒng)有機結合。

（3）為了實現(xiàn)集成系統(tǒng)的各種功能，需要使用三種條件的冷水加熱器。并提出了三種情況下冷水機/熱水器的新思路和新圖。

（4）該系統(tǒng)是一種冷、熱條件的轉換，冷藏和冷卻條件的轉換，通過水流換向轉換冷藏空調系統(tǒng)的運行模式，以及增加冷卻水系統(tǒng)。

3 集成系統(tǒng)的驗證

利用計算機模擬技術探討建設了土壤蓄熱與土壤耦合熱泵綜合系統(tǒng)的數學模型，且進行了應用實驗數據驗證所建模型是否可靠。以此為基本，采用數值分析方法分析了其綜合系統(tǒng)在中國夏熱冬冷地區(qū)的可行性，可靠性，運行特性和運行效果。

利用土壤冷庫移峰填谷是冷藏空調的新思路?？紤]到土壤熱濕傳遞過程的復雜性和影響因素的多樣性，需要通過模擬實驗土壤蓄冷，研究、地下土壤蓄冷的機理、熱特性等。圖2顯示了在封閉單元的沙箱中創(chuàng)建土壤邊界條件的實驗方案。

圖2 試驗方案

為了開始評估這個體系是否可得到較好應用，已經查閱了非常多的關于儲冰和土壤耦合熱泵技術在國內外的應用。經過處理和綜合分析，得到了比較全面的技術和實施方法。關鍵技術是：

（1）土壤儲存是這個論文的中心問題。特別是鉆研地下儲存的范圍與四周土壤有相關的聯(lián)系。因此，實驗技巧在這個話題中非常重要。

（2）對于土壤而言，可分為幾個相。水的移動將受到土壤中熱量傳遞的作用，而熱量又會干擾到水的遷移，并且數量和熱濕的傳遞過程會的相互作用，并且這個過程是嚴重的非線性耦合。因此，探討換熱器在土壤中地下的熱濕傳導的理論基礎（如線熱源理論，圓柱形熱源理論，三維瞬態(tài)遠程傳熱模型等），可以幫助建設土壤耦合熱泵模型。

（3）這個項目重要的手段之一是計算機模擬空調制冷系統(tǒng)。在探討技術中植入計算機模擬技術，采用模擬方法對系統(tǒng)和過程進行取代，之前的實驗方法就會被代替，省下了許多人與物的資源。通過動態(tài)分析方法代替之前的靜態(tài)分析方法，建設數學模型與現(xiàn)在的體系或經過更加相近。為了將仿真模型的通用性和準確性提升，在體系中的仿真研究中把現(xiàn)代人工智能科技引進。

4 結束語

在電力供應日益緊張的情況下，空調和冷藏技術的發(fā)展將成為有效平衡電網峰谷差異的重要技術措施之一；而使用土壤作為冷熱源的土壤耦合熱泵技術將因其可再生而被使用。地熱能與能源的可持續(xù)發(fā)展策略相吻合。蓄冷技術與土壤耦合熱泵技術相結合，充分發(fā)揮了兩種技術的優(yōu)勢，集成了冷藏技術和土壤耦合熱泵技術的各種要素和成果，耦合熱泵技術。一個系統(tǒng)同時解決了兩個熱點問題：空調器當前的峰峰負載和空調項目中使用可再生能源。所提出集成系統(tǒng)為現(xiàn)代的建設提供環(huán)保并且節(jié)能的熱泵式冷庫空調方法，可以給未來空調的可持續(xù)發(fā)展策略供應可靠的理論基礎和科技儲備。

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