摘要：针对包头市某地源热泵系统冬季运行状况较差的问题，通过对系统评价分析，排除地埋管损毁因素之外，结果表明该系统出现冷堆积现象。针对此问题提出了地源热泵系统的热平衡解决方案。
关键词：土壤源热泵,热平衡,实例分析,解决方案
0 引言
土壤源热泵是一种利用地下土壤作为热泵低位热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现热量从低温位向高温位转移的热泵系统[1]。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖;夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。在能源短缺的今天，利用浅层地温能这一清洁可再生的新能源改善环境污染状况日益受到国家和地方政府的重视，近年来相继出台了一系列支持鼓励政策和管理法规，各地政府还财政补贴浅层地温能的开发利用[2]。
但是在实际工程中往往因建筑冷热负荷需求量不等，在一个冷热周期内，土壤源热泵系统从土壤中置换的冷热量也不等。土壤中多储存的冷热量会导致土壤的冷热堆积。随着地源热泵系统连续、长期的运行，如果从地下过多地取热，势必因热量累积效应，造成土壤温度场得不到有效恢复[3]。
在本文中将结合实际工程，对使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差的问题进行探究，提出相应的解决方案，对在设计时采取措施避免或尽量减缓因冷热堆积导致系统运行状况差的问题。
1 项目简介
本项目位于包头市，总建筑面积21350㎡，该建筑为办公使用，建筑楼层为地上三层，屋面高度为43.8米，共10层。由设计院提供数据可知，冬季热负荷为2080KW，热负荷指标为97.4W/㎡;夏季空调冷负荷为1660KW，冷负荷指标为77.8W/㎡。
制冷机房内设置了2台地源热泵机组，单机制冷制为880kW，输入功率为188kW，单机制热制为1075kW，输入功率为258kW。地源侧配置3台循环水泵(两用一备)，额定流量和扬程分别为120 m3/h和38m，额定输入功率为55kW;用户侧配置3台循环水泵(两用一备)，额定流量和扬程分别为200 m3/h和32m，额定输入功率为55kW。
原设计垂直埋管换热单元420个，钻孔孔径为200~250mm、深100米，间距4.5-5m,采用原浆回填。换热管采用外径为De32的高密度聚乙烯管，单U形布置。
2 地埋管热平衡计算
2.1 地埋管换热器数量核算
冬夏季节地埋管换热器的换热量可以分别由下述公式计算：
其中 Q1’——夏季向土壤排放的热量(kW);
Q1——夏季设计总冷负荷(kW);
Q2’——冬季从土壤吸收的热量(kW);
Q2——冬季设计总热负荷(kW);
EER——设计工况下水源热泵机组的能效比;
COP——设计工况下水源热泵机组的供热系数。
考虑到该工程以制热为主，地埋管换热器数量的计算以冬季最不利情况下所需换热量确定。冬季从土壤吸收的热量计算如下：Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW;
根据项目前期勘查测试结果计算冬季最不利情况下所需地埋管换热器长度计算如下：L=1581.2 kW÷38.5W/m=41070m;单U形布置，单孔换热器深100m，则所需地埋管换热器为411空。通过上述核算表明原设计地埋管数量满足使用要求。
2.2 地埋管热平衡核算
在供冷季节，输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节，从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功，输入的热量包括压缩机耗功量和地热换热器循环泵的耗功量[4]。则夏季制冷总放热量Q1’=1660kW×(1+1÷4.68)=2014.7kW;冬季制热总吸热量Q2’=2080kW×(1-1÷4.17)=1581.2kW。
根据业主实际使用情况得知该系统夏季总共运行90天，每天8小时，冬季总共运行150天，每天8小时，则夏季制冷总放热量计算如下：Qf=2014.7kW×90×8×3600=5.22×1012J;冬季制热总吸热量计算如下：Qs=1581.2kW×150×8×3600=6.83×1012J。由此计算出系统冷热不平衡率高达30.8%，据地源热泵相关文献资料规定，土壤源热泵系统冬夏冷热不平衡率不应大于15%，该土壤源热泵系统出现严重不平衡现象，且无其他辅助加热系统，使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差。
3 热平衡解决方案
3.1热平衡解决方案的选择
由于该土壤源热泵系统全年向土壤的放热量小于吸热量，使用一定年限后的土壤源热泵系统出现的冷堆积现象而导致的冬季运行状况较差。当进水温度过低导致热泵机组蒸发器出水温度低于4℃时，机组就会因蒸发温度过低而自动停机保护[5]。针对热泵系统出现的冷堆积现象，本项目采用太阳能集热系统作为补充热源，将系统冷、热不平衡率控制在可接受的范围内，以保障系统的长期有效运行，详见图3-1。
当集热器温度T1与空调用板式换热器温度T2温差≥10℃时，介质循环泵P1启动，将集热器中热介质与空调用板式换热器中的冷介质换热;当两者温差≤4℃时，循环泵P1停止;当集热器温度T1>95℃，且集热水箱温度T3>85℃时，介质循环泵P1不启动，集热循环管道中的介质受热膨胀，膨胀量挤向膨胀罐中;当集热循环管道内的压力大于安全泄压阀设定压力时，安全阀自动打开，排出膨胀多余的介质;
冬季运行：V1、V2、V3、V4开启，同时关闭生活热水板式换热器，打开空调热水板式换热器，太阳能系统与空调系统同时运行。夏季运行：V3、V4关闭，V1、V2开启，同时打开生活热水板式换热器，关闭生活热水板式换热器。过渡季节蓄热运行：V3、V4开启，V1、V2关闭，空调系统不运行，太阳能系统向土壤侧蓄热运行。
3.2太阳能集热器面积计算
太阳能集热器面积计算公式[6]:
其中Ac——集热器总面积㎡;
Q——日平均供热负荷(W);
f——太阳能保证率，90%取值(大面积安装);
J——日平均太阳辐照量J/㎡;
η1——集热器热效率，40%取值;
η2——管路及热水箱热损失率，15%取值。
根据不平衡计算得知每年地下的冷堆积热量是1.61×1012J，解决每年地下的冷堆积热量依靠每年冬季和过渡季节，主要是每年10月份到次年5月份，总计275天，日平均需热量是67761 W，在此期间包头市区总辐射是3879MJ/㎡[7]，日平均太阳辐照量是14105454J/㎡，则集热器面积Ac=86400×67761W×90%÷17534246 J/㎡÷40%÷(1-15%)=884㎡。
3.2 太阳能集热器的安装
本项目现有顶层屋面的建筑面积为1552㎡，实际可放置太阳能板的面积1200㎡左右，所以可将所有太阳能集热器统一安装在现有顶层面，见图3-2。考虑到内蒙包头的天气因素，采用热管式真空管太阳能集热器，比平板型集热器蓄热能力高，并且在下雪时要优于平板型。太阳能集热器最佳倾斜角度的确定，应根据使用周期内收集的太阳能最多为原则，本工程实际安装角度为40°。
4 结论与建议
以供暖为主的中国北方寒冷地区土壤源热泵系统，运行一定年限后会由于冷热不平衡造成冷堆积现象，造成室内满足不了空调要求，为了避免冷堆积现象的发生，一定要进行系统热平衡计算，不平衡时需要采取辅助的热平衡方案。由于中国北方寒冷地区的太阳能资源非常丰富，建议在热平衡方案选择时优先考虑太阳能系统作为热平衡辅助系统，同时可以解决部分生活热水的需求。
参考文献：
[1] 黄奕沄,张玲,陈光明.地源热泵研究与应用现状[J]. 制冷空调与电力机,2003,24(1):6-10
[2] 王贵玲,文静,张薇.我国主要城市浅层地温能利用潜力评价[J].建筑科学,2012,28(10):1-8
[3] 魏俊辉.利用太阳能解决地源热泵冷堆积问题初探[J].楼宇自动化,2012,(10):59-63
[4] 毛会敏.土壤源热泵空调系统的设计与经济性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007:21
[5] 施全彬.浅谈地埋管热泵系统的热平衡解决方案[J].机电信息,2012,(21):44
[6] 何梓年,朱敦智.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京:化学工业出版社, 2009, 5
[7] 夏雪莲,苏日娜.包头市太阳能资源及其开发利用前景分析[J].内蒙古农业科技,2011,(5):81-82