郭杰

摘要：土壤源熱泵系統(tǒng)具有環(huán)保、節(jié)能和能效高的優(yōu)勢(shì)，逐漸得到應(yīng)用推廣。本文對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)和水蓄能系統(tǒng)進(jìn)行耦合研究，此耦合復(fù)合系統(tǒng)既能保證熱泵機(jī)組的效率，同時(shí)還能確保系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵;水蓄能;節(jié)能

1、引言

土壤源熱泵系統(tǒng)可以充分利用地層淺層的地?zé)崮芰?，?shí)現(xiàn)冬季供暖和夏季降溫的效果。此熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能效果佳、能效高且環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，越來越多得到應(yīng)用推廣。蓄能系統(tǒng)能夠?qū)⒉糠治聪牡哪芰窟M(jìn)行存儲(chǔ)，目前水能是最為廣泛的蓄能能源，通過土壤源熱泵與水蓄能系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合，可以將熱泵能量進(jìn)行存儲(chǔ)，熱泵機(jī)組不僅可以直接向用戶提供能量，同時(shí)還可向蓄能水槽進(jìn)行蓄能，蓄能水槽再通過換熱器向用戶側(cè)供能。復(fù)合系統(tǒng)可以充分結(jié)合兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用最低，保證經(jīng)濟(jì)性。

2、土壤源熱泵系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

2.1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理

土壤源熱泵系統(tǒng)主要利用土壤淺層地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季降溫的雙重目的。利用此系統(tǒng)，可以將夏季室內(nèi)的熱量資源通過熱泵系統(tǒng)及地埋管系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到土壤中，冬季又可以將土壤中的熱量通過熱泵系統(tǒng)及地埋管系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，從而完成冬季和夏季的熱量轉(zhuǎn)移，保證室內(nèi)舒適度。

2.2 土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

首先土壤源熱泵將淺層地層作為熱源，夏季能夠儲(chǔ)熱能、冬季可以儲(chǔ)冷能，實(shí)質(zhì)上此能量屬于可再生資源。由于地層溫度相對(duì)穩(wěn)定，是良好的冷熱能源，相對(duì)于空氣源熱泵而言，土壤源熱泵更加節(jié)能。地埋管的壽命可以達(dá)到50-60年，因此具有經(jīng)濟(jì)性。但因此土壤源熱泵系統(tǒng)占地面積較大，對(duì)于一些土地寬容度要求較高，另外前期投入時(shí)需要進(jìn)行土方挖掘，一般預(yù)投資費(fèi)用較高。

2.3 設(shè)計(jì)要求

一般進(jìn)行土壤源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建之前需要對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)檢查、勘測(cè)，取得相應(yīng)的土質(zhì)資料，包括地層溫度、地下水的水位、水質(zhì)分布等。由于地下地埋管所需面積較大，因此需要較廣的土地面積。如果供熱建筑物需求冷熱負(fù)荷的差異較大，一般需要借助其他的補(bǔ)熱或排熱的措施，以保證熱量的平衡。

3、水蓄能系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

水蓄能系統(tǒng)的形式較多，一般有單槽、雙槽和多槽水蓄能系統(tǒng)，在水蓄能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際具體情況選擇不同的蓄能水池，目前實(shí)際生活中常用單水槽自然分層水蓄能系統(tǒng)。對(duì)于單水槽自然分層水蓄能系統(tǒng)充分考慮水的物性條件，一般水溫在4℃時(shí)的密度最高，因此此溫度的水較多控制在水槽的下部分，高溫水（15℃）儲(chǔ)存在水槽的上部分，因上部分和下部分的水溫存在一個(gè)變化區(qū)間，此區(qū)間即為溫度的斜溫層，斜溫層的厚度受蓄能系統(tǒng)的水流狀態(tài)、水槽的換熱系數(shù)及實(shí)際的溫差情況影響，斜溫層的厚度大小可以衡量蓄能的實(shí)際效果，影響蓄能效率。

水蓄能系統(tǒng)的工作方式主要包括以下幾種形式：

全負(fù)荷蓄能：全負(fù)荷蓄能方式即空調(diào)所需的全部熱能均由蓄能系統(tǒng)提供，全負(fù)荷蓄能方式一般適用于間歇運(yùn)行方式的場(chǎng)所，如體育館、籃球場(chǎng)等，此方式前期投入較多，后期投入運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)偏低。

部分負(fù)荷蓄能：此時(shí)蓄能水池與冷熱源機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，此方式的初期投入費(fèi)用相對(duì)較低，應(yīng)用相對(duì)廣泛。

4、土壤源熱泵與水蓄能復(fù)合系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

土壤源熱泵熱水器的工作原理從根本來看就是一個(gè)卡諾循環(huán)過程，其主要組成部分包括：壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、過濾器和儲(chǔ)水箱等組成，冷媒在體系內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，不斷從蒸發(fā)器處吸收外部熱量，然后再冷凝器設(shè)備中將熱量傳遞給水槽中的水，將水進(jìn)行加熱。其具體的工作原理如下：

從蒸發(fā)器內(nèi)出來的氣態(tài)冷媒進(jìn)入到壓縮機(jī)內(nèi)，在壓縮機(jī)的作用下，氣態(tài)冷媒被壓縮成高溫高壓的氣態(tài)冷媒，高溫高壓氣態(tài)冷媒進(jìn)入冷凝器，將其熱量傳遞給冷凝器，將儲(chǔ)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，高溫高壓氣態(tài)冷媒變成低溫高壓的液態(tài)冷媒，經(jīng)過過濾器后，然后進(jìn)入膨脹閥，進(jìn)行泄壓，此時(shí)冷媒狀態(tài)為低溫低壓，低溫低壓的冷媒進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行吸熱，然后高溫低壓的冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮成高溫高壓的冷媒，進(jìn)行下一次的循環(huán)過程。在整個(gè)過程中，需要提供外部能量的設(shè)備是壓縮機(jī)，壓縮機(jī)對(duì)冷媒再進(jìn)行做功，土壤源的溫度越高，冷媒從蒸發(fā)器獲取的能量也就越多，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)的做功越少，此時(shí)熱泵的效率最佳。通過此方式，土壤源熱泵機(jī)組既可以直接給建筑物進(jìn)行供熱或供冷，還能向水蓄能體系進(jìn)行供熱供冷，夏季可以蓄冷和供冷，冬季可以蓄熱和供熱，過渡季節(jié)還可以同時(shí)蓄冷供冷和蓄熱供熱。

此復(fù)合系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：通過兩者的結(jié)合，可以有效降低土壤源熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量，有效節(jié)約前期的投資費(fèi)用，同時(shí)對(duì)于土地面積的需求也降低，滿足一些土地不充足的環(huán)境使用要求。復(fù)合系統(tǒng)通過自動(dòng)化控制與控制策略優(yōu)化，能夠確保土壤源熱泵機(jī)組處于高負(fù)荷或滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，提升熱泵機(jī)組的能效比。

5、地源熱泵（土壤源熱泵）與水蓄能耦合系統(tǒng)的運(yùn)行策略制定

對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)和水蓄能存在幾種工況下的轉(zhuǎn)換，此系統(tǒng)相對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，運(yùn)行控制策略更加復(fù)雜，常用的控制運(yùn)行策略有如下幾種：

（1）熱泵機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行：保證土壤源熱泵機(jī)組始終處于高負(fù)荷或滿負(fù)荷下運(yùn)行，確保熱泵的運(yùn)行能效比。當(dāng)空調(diào)的負(fù)荷超過熱泵機(jī)組負(fù)荷時(shí)，投入蓄能系統(tǒng)，補(bǔ)充剩余的熱量或冷量。此控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方式有效可靠。但此方式對(duì)于水蓄能池的使用頻率較低，不能有效的實(shí)現(xiàn)費(fèi)用的節(jié)約。

（2）蓄能水池系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行：保證蓄能水池系統(tǒng)始終處于高負(fù)荷或滿負(fù)荷下運(yùn)行，當(dāng)空調(diào)的負(fù)荷超過蓄能水池系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)，投入土壤熱泵機(jī)組系統(tǒng)，補(bǔ)充剩余的熱量或冷量。此控制方式既要考慮土壤熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率，同時(shí)還要最大限度地利用水蓄能系統(tǒng)，運(yùn)行控制相對(duì)復(fù)雜。

（3）優(yōu)先控制運(yùn)行方式：優(yōu)先控制的前提或目的是控制運(yùn)行電費(fèi)費(fèi)用，根據(jù)電價(jià)的相關(guān)政策和費(fèi)用，最大限度地利用蓄能水槽的作用，保證用戶支付電費(fèi)的費(fèi)用最低。此方式不能充分確保土壤熱源的運(yùn)行效率。例如供暖期期間，上午7點(diǎn)至8點(diǎn)，為了快速提升室內(nèi)的溫度，使用市政供暖熱量供熱;8點(diǎn)至18點(diǎn)期間，優(yōu)先使用蓄能水池系統(tǒng)進(jìn)行供暖，如果此時(shí)的熱量不能滿足要求，再依次投入土壤源熱泵系統(tǒng)、市政供暖系統(tǒng)。18點(diǎn)至23點(diǎn)期間，由于電價(jià)相對(duì)較高，此時(shí)可以投入市政供暖。23點(diǎn)至7點(diǎn)期間，按調(diào)研得到的供暖期夜間蓄能工況執(zhí)行。

6、結(jié)語

土壤源熱泵與水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了土壤源熱泵和水蓄能技術(shù)的良好結(jié)合。不僅具有明顯的節(jié)能和節(jié)費(fèi)的潛力。而且在一定程度上解決了環(huán)境污染的問題。

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