土壤源熱泵工作流程原理

土壤源熱泵屬于熱泵的一種，它通過耗損一定的高品位能量（如電能），把不能直接利用的土壤中的廢熱能源經(jīng)過類似于水泵的泵水，經(jīng)提升轉(zhuǎn)換為有用的熱能，從而可節(jié)約高品位能量。

土壤源熱泵應(yīng)用于中央空調(diào)中，包括三套管路系統(tǒng)：末端系統(tǒng)、機房系統(tǒng)、地耦管路系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對比，其不相同主要在于地耦管路系統(tǒng)是由埋設(shè)于土壤中的地耦管，將土壤作為冷熱源，通過熱泵從中取熱或向其排熱，為建筑物供暖或制冷的一種空調(diào)系統(tǒng)。由于地表幾米以下的地溫常年相對穩(wěn)定，冬季比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此和傳統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵相比，土壤源熱泵可不受室外大氣溫度的影響，夏季制冷時冷凝溫度較低，冬季制熱時蒸發(fā)溫度較高，系統(tǒng)可工作在更好的壓力范圍內(nèi)，其EER值很高，節(jié)能效果顯著。埋設(shè)地耦管有兩種基本方式，一種是平埋，即在淺層土壤中挖溝埋管，通常應(yīng)用于有較大場地的建筑物；另一種是立埋，即在地層中豎直鉆孔，在鉆孔中插入塑料管，并用封井材料填實，載熱流體在塑料管內(nèi)循環(huán)流動，從而實現(xiàn)管內(nèi)液體與管外土壤的熱量交換，該方式占地面積小，是常用的一種方式。 　　近年來土壤源熱泵系統(tǒng)以其良好的節(jié)能和環(huán)保特性，在歐美等國受到了極好的重視，已經(jīng)進入成熟的商業(yè)化實用階段，而我國在這方面的發(fā)展還處于起步階段，工程應(yīng)用較少，但其節(jié)能、環(huán)保和熱穩(wěn)定的特點正逐步引起科研設(shè)計部門和空調(diào)生產(chǎn)廠家的關(guān)注。

土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及運行情況簡單介紹 1 工程概況與系統(tǒng)設(shè)計  　　山東省菏澤生建辦公樓為A、B兩座樓，間距50米，A樓為南北向單面2層樓，建筑高度9.9m，空調(diào)面積678m2；B樓為東西向單面2層樓，建筑高度8m，空調(diào)面積430 m2。兩樓均為采暖、制冷設(shè)計，室內(nèi)設(shè)計參數(shù)：夏季26±2℃，相對濕度45~55%；冬季20±2℃，相對濕度40%。夏季空調(diào)總冷負荷149.5 kW，冬季空調(diào)總熱負荷105.3 kW。冷熱源采用LRY-W150渦旋式水–水型土壤源熱泵機組一臺，名義制冷量148 kW，名義制熱量150 kW。夏季提供7℃/12℃冷水，冬季提供55℃/50℃熱水。空調(diào)水系統(tǒng)采用二管制，定流量運行，同程布置，循環(huán)泵一用一備。熱泵機組及配套設(shè)備設(shè)在B樓一層機房。各辦公用房均采用風(fēng)機盤管送風(fēng)。為充分發(fā)揮它的節(jié)能性，在設(shè)計地耦管換熱器時我們同時考慮了土壤的溫度、濕度、導(dǎo)熱系數(shù)及管材直徑、流速、熱阻等，根據(jù)需要采用了立埋閉式環(huán)路系統(tǒng)，共鉆孔42眼，分兩組設(shè)在通往兩樓的路下，占地面積約500 m2，矩陣型（2×10和2×11）分布排列，鉆孔半徑55mm，鉆孔間距5m，鉆孔深度70m，總鉆孔量2940m，埋DN32單U型管，埋管長度5880m，埋管周圍的空隙用鉆孔回收泥漿填埋。水平干管埋在深度2m的水平溝內(nèi)。地耦管材均選用高密度聚乙烯管，其正常壽命可達50年。制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換通過調(diào)整機房配水管路中的換向閥門來實現(xiàn)。為防止結(jié)垢、保持水質(zhì)穩(wěn)定，我們在地耦管內(nèi)充注了軟化水，為避免地耦管循環(huán)水在冬季運行時結(jié)冰，我們按能抵抗-7℃的低溫加入了一定濃度的乙二醇溶液。 2 運行情況及數(shù)據(jù)分析 　　上述工程于2003年12月竣工投入使用，在埋管前，我們對埋管周圍的土壤進行了實測，冬季靜水位在地下20米處，土壤為濕粘土，含水率較高，實測的土壤導(dǎo)熱系數(shù)在1.2~1.8W/（m?℃）之間。地下20米處冬季平均溫度16.2℃，夏季平均溫度17.1℃。從12月20日開始，我們作了相關(guān)的運行記錄，在地耦管循環(huán)水、空調(diào)循環(huán)水管路上共設(shè)了4個測溫點，采用Pt100鉑熱電阻配三菱FX2N-4AD-PT溫度模塊測量溫度，流量計量采用渦輪式流量計，熱泵機組、地耦管循環(huán)泵、空調(diào)水循環(huán)泵、補水泵等的電耗通過電度表測得。熱泵機組的制冷（熱）量通過測量空調(diào)循環(huán)水進出口溫差和相應(yīng)的流量得到。地耦管的排（取）熱量通過測量地耦管循環(huán)水進出口溫差及相應(yīng)的流量得到。 辦公樓是從早晨7點至晚上22點供暖（制冷），每天運行15小時，經(jīng)過半年多的使用，積累了大量測試數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄，進入土壤源熱泵的循環(huán)液溫度, 夏季最高為29.3℃，冬季最低為6.1℃。機組每天開機的初始階段制熱（制冷）量都稍大，隨后逐漸減少，一般 4~6小時后地耦管與周圍土壤的換熱進入相對穩(wěn)定的階段，循環(huán)液進出口水溫也較穩(wěn)定，機組制熱（制冷）量基本保持不變。通過測量進各出口水溫及相應(yīng)的流量，即可得出熱泵機組的制冷（熱）量、地耦管總的取（排）熱量和單位鉆孔長度的取（排）熱率，再測量相應(yīng)時間段內(nèi)熱泵機組的功耗和系統(tǒng)的總功耗，我們可以分別得到機組的制熱（冷）能效比EER（Energy Efficiency Ratio）值和系統(tǒng)的EER值。圖1是1月20日循環(huán)液進出地耦管水溫隨時間的變化圖，圖2是7月2日循環(huán)液進出地耦管水溫隨時間的變化圖, 從兩圖中的循環(huán)液進出水溫度的變化趨勢可以看出，機組啟動以后約四五個小時以后，溫度的變化幅度逐漸變小，漸漸趨于穩(wěn)定。圖3是1月20日熱泵機組制熱量隨時間的變化圖, 圖4是7月2日熱泵機組制冷量隨時間的變化圖，由于初始運行階段，循環(huán)液進出水溫度比較理想，熱泵機組的運行工況較好，所以從圖中可以看出初始運行時的制熱（冷）量都大。圖5是1月20日熱泵機組功耗隨時間的變化圖, 圖6是1月20日熱泵機組功耗隨時間的變化圖，由于初始運行時熱泵機組的運行工況較好，雖制熱（冷）量較大，但所耗損的功率卻較少。而且由于冬季熱泵冷凝溫度較高，運行的工況差，耗損的功率也較高，夏季熱泵冷凝溫度較低，運行的工況好耗損的功率相應(yīng)較低。　

　　在機組的運行中，由于最大冷熱負荷只出現(xiàn)在夏冬季最熱和最冷的幾天，因此機組大部分時間實際上不在滿負荷條件下工作。我們采用的熱泵機組控制為彩色中文觸摸屏和plc組成的尖端智能模糊控制，可根據(jù)負荷使用量自動調(diào)整壓縮機和地耦管循環(huán)泵的運行狀態(tài)及啟停時間，正好適應(yīng)系統(tǒng)要求，使系統(tǒng)一直工作在節(jié)能狀態(tài)。統(tǒng)計至2004年8月10日，地耦管系統(tǒng)實際共運行135天，累計耗電49350kWh，單位面積耗電量為：0.022 kWh /m2?h。如果按夏季制冷90天，冬季采暖120天，每天使用8小時測算，則單位面積全年的運行費用約在22元/m2左右（電費按0.6元/ kWh計），低于常規(guī)系統(tǒng)。雖然設(shè)備初投資比傳統(tǒng)中央空調(diào)造價要高20-30%，但系統(tǒng)用節(jié)約的電在4-6年內(nèi)即可收回多用的投資。