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浅析土壤源热泵复合冷热源系统的应用

时间:2019-06-04

土壤源热泵是指通过输入少量电能把岩土体中的低品位能量提取出来转移到室内供人类生产生活需要,它具有高效节能、效果稳定、低碳环保、一机多用、维护费用低廉等特点。由于其具有的这么多优点,随着世界范围内能源和环保问题出现,地源热泵技术在世界各国都得到大力发展,在我国其更得到国家政策的支持推广,越来越多的国人认识到地源热泵系统的好处,全国范围内大量工程项目采用了地源热泵形式。但单一的地源热泵系统的一些缺点也逐渐显露出来,制约着地源热泵的推广应用。为了解决单一地源热泵系统存在的缺点,土壤源热泵复合冷热源系统在工程中得到发展与运用。


1、地源热泵系统存在问题


1.1岩土体的得热量和放热量不平衡


在土壤源热泵系统中,岩土体相当于一个巨大的蓄热体,冬季,地源热泵系统将热量从岩土体中提取出来用于建筑物供暖;夏季,地源热泵系统将建筑物内多余的热量排到岩土体中用于建筑物制冷。如果每年排到岩土体中的热量和从岩土体中提出的热量的差值过大,超过岩土体的自我平衡能力,在运行一段时间后就会导致岩土体温度变化,从而影响热泵系统的运行效率,导致无法满足建筑物需求或机组能耗增加,最终导致系统无法运行。基于此种原因,在我国长江以南夏热冬暖区域和东北等严寒区域,单一的土壤源热泵系统无法长久有效的作为建筑物提供冷热源。


1.2土壤源热泵系统初投资过大


土壤源热泵系统需要大量的钻孔施工,对于岩土体结构复杂地区或岩石层过硬地区,需要支付高昂的钻孔施工费用,某些区域仅钻孔施工一项费用就占到整个系统总造价的50%以上。这对建设单位造成巨大的资金压力,很多建设单位对此望而却步,改选其他方案。而且过大的施工费用也使系统的整体经济性大打折扣。


1.3没有足够的地埋管换热器安装面积


采用土壤源热泵系统,需要一定的地埋管换热器安装空间。而对于容积率比较高的商业综合体以及在老城区的项目,由于寸土寸金,大多没有足够的地埋管安装空间,以至于无法采用土壤源热泵系统。


以上所述问题,严重限制了土壤源热泵的发展,致使一些本计划采用土壤源热泵系统的项目无奈放弃另选其他方案。


2、土壤源热泵复合系统的应用


为了解决单一土壤源热泵系统的局限性,扩大土壤源热泵系统的应用范围,土壤源热泵复合系统逐渐得到应用,以解决吸/放热量不均衡、初投资过大、无足够地埋管换热器安装面积等问题。


2.1土壤源热泵+燃气锅炉复合系统


在我国东北和西北地区,冬季地埋管累计吸热量远大于夏季地埋管累计放热量,单一土壤源热泵系统会导致土壤温度逐年下降,在系统运行几年后就会无法满足冬季的供暖需求,最终导致系统失效。采用土壤源热泵+燃气锅炉复合系统,夏季由地源热泵供冷,冬季优先采用土壤源热泵供热,在热负荷最大时采用土壤源热泵+燃气锅炉共同为建筑供热,一方面保证全年从土壤中提出的热量和排到土壤中的热量均衡,维持土壤温度恒定,保证热泵机组的高效运行。另一方面,可以适当降低热泵承担的热负荷,减少地埋管数量,降低初投资。


2.2土壤源热泵+冷水机组复合系统


在我国南方夏热冬暖地区,建筑冷负荷和地埋管累计放热量远大于建筑热负荷和地埋管累计吸热量。采用单一土壤源热泵系统,夏季需要庞大的地埋管换热器满足建筑冷负荷需求,冬季时大量的地埋管闲置,造成初投资太大,同时严重的冷热不均衡也给系统运行埋下很大隐患。采用土壤源热泵+冷水机组复合系统可以减少地埋管的安装数量,减少初投资,消除冷热不均衡问题,而且土壤源热泵系统在夏季的供冷效果和效率都优于冷水机组,复合系统有助于系统整体经济性的提高。


2.3土壤源热泵+冷水机组+燃气锅炉复合系统


在地埋管换热器安装面积有限,建设方资金又紧张的情况下,可选择采用土壤源热泵+冷水机组+燃气锅炉复合系统。热泵机组大部分时间都在设计负荷的80%以下运行,在90%以上运行的时间每年就十多天时间,但为了这十多天时间,就要求地埋管换热器满足全部设计负荷。若采用土壤源热泵+冷水机组+燃气锅炉复合系统,地埋管换热器大约只承担原设计80%的负荷,其余的20%由冷水机组和锅炉提供,与单一土壤源热泵系统相比,既大大降低了项目初投资,有运行费用影响却很小。


2.4土壤源热泵+蓄冷蓄热复合系统


对于商场、办公写字楼等只在白天有供冷供热需求,晚上没有供冷供热需求的建筑,采用土壤源热泵+蓄冷蓄热复合系统,既可以减少热泵机组的装机容量和地埋管换热器数量,减少地源热泵部分的初投资。还可以利用峰谷电价政策,进一步降低运行费用。


2.5土壤源热泵+太阳能复合系统


对于每年从土壤中提取热量略大于向土壤中排放热量的项目,且在本项目中有热水需求时,可采用土壤源热泵+太阳能复合系统,在供暖季,太阳能作为土壤源热泵辅助热源给建筑物供暖并可考虑提供生活热水,减少地源热泵热负荷,减少地埋管系统的冷热不均衡。夏季,土壤源热泵为建筑供冷,太阳能系统提供生活热水,在阴天时,可采用带热回收功能的热泵机组作为辅助热源提供生活热水。过度季节,根据实际运行情况,决定是否采用太阳能给土壤补充热量,维持土壤温度恒定。采用土壤源热泵+太阳能复合系统可以最大限度的降低运行费用,并增加系统稳定性。


以上所提供的土壤源热泵复合冷热源系统,都需要一套精准的测量、自动控制系统和根据实际情况量身定做的软件程序,才能达到事半功倍的最佳运行效果。


3、土壤源热泵复合系统实例


3.1黑龙江某小区土壤源热泵+市政热源复合系统


工程简介:本项目位于哈尔滨市,项目引进国际领先的瑞士凯乐技术—天棚柔和式微辐射采暖系统,无论严冬与酷暑室内温度常年保持在人体最佳舒适度20-26℃范围内,且分布均匀,无吹风感和噪音的打扰,所带来的舒适程度,远高于空调、散热器、地热等传统设备。高舒适度住宅供冷面积168000㎡;供冷负荷指标:25W/㎡;则总供冷负荷为:4200kW。车库供热面积:53200㎡;供热负荷指标:30W/㎡;则总供热负荷为:1596kW。


本工程采用地源热泵,在夏季时用地埋管出水直接供应天棚辐射和新风系统,为建筑物供冷,在冬季与市政热源换热后的二次水系统供应天棚辐射和新风系统供热。考虑冷热平衡和减少投资费用及运行费用,车库的供暖热源由土壤源热泵系统提供。


3.2泰安某高档别墅区土壤源热泵+太阳能复合系统


本项目位于泰安市,为一高档别墅群,包含200-1000平米不等的209套别墅。本项目远离市区,没有集中供暖管道。本项目每套别墅采用一套土壤源+太阳能复合系统为建筑提供冷热源及生活热水。


4、结语


单一的土壤源热泵系统,由于自身特点和地域气候等原因,可能无法长期稳定高效的运行,而根据项目实际情况,将土壤源热泵和其他系统结合在一起,组成复合式冷热源,就能克服单一土壤源热泵系统的局限性,使其摆脱地域气候等限制,最大限度的发挥高效环保的优势。