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供稿︰中國工控網 2016/7/14 14:38:08

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  • 關鍵詞︰ 土壤源熱泵
  • 摘要︰土壤源熱泵的工作原理及特點,並以實際工程為例,探討了土壤源熱泵應用于中央空調系統的設計方法及運行情況,指出了土壤源熱泵技術對節能和環保具有重要意義。

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過類似于水泵的泵水,經提升轉換為有用的熱能,從而可節約高品位能量。

土壤源熱泵應用于中央空調,包括三套管路系統︰末端系統、機房系統、地耦管路系統。與傳統的熱泵空調系統相對比,其不相同主要在于地耦管路系統是由埋設于土壤中的地耦管,將土壤作為冷熱源,通過熱泵從中取熱或向其排熱,為建築物供暖或制冷的一種空調系統。由于地表幾米以下的地溫常年相對穩定,冬季比空氣溫度高,夏季比空氣溫度低,因此和傳統的風冷熱泵相比,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,冬季制熱時蒸發溫度較高,系統可工作在更好的壓力範圍內,其EER值很高,節能效果顯著。埋設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,通常應用于有較大場地的建築物;另一種是立埋,即在地層中豎直鑽孔,在鑽孔中插入塑料管,並用封井材料填實,載熱流體在塑料管內循環流動,從而實現管內液體與管外土壤的熱量交換,該方式佔地面積。 淺S玫囊恢址絞。
  近年來土壤源熱泵系統以其良好的節能和環保特性,在歐美等國受到了極好的重視,已經進入成熟的商業化實用階段,而我國在這方面的發展還處于起步階段,工程應用較少,但其節能、環︰腿任榷 奶氐閼鴆揭鸝蒲猩杓撇棵藕涂盞魃O業墓刈。

 

土壤源熱泵系統設計及運行情況簡單介紹
1 工程概況與系統設計 
  山東省渮澤生建辦公樓為A、B兩座樓,間距50米,A樓為南北向單面2層樓,建築高度9.9m,空調面積678m2;B樓為東西向單面2層樓,建築高度8m,空調面積430 m2。兩樓均為采暖、制冷設計,室內設計參數︰夏季26±2℃,相對濕度45~55%;冬季20±2℃,相對濕度40%。夏季空調總冷負荷149.5 kW,冬季空調總熱負荷105.3 kW。冷熱源采用LRY-W150渦旋式水水型土壤源熱泵機組一台,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。空調水系統采用二管制,定流量運行,同程布置,循環泵一用一備。熱泵機組及配套設備設在B樓一層機房。各辦公用房均采用風機盤管送風。為充分發揮它的節能性,在設計地耦管換熱器時我們同時考慮了土壤的溫度、濕度、導熱系數及管材直徑、流速、熱阻等,根據需要采用了立埋閉式環路系統,共鑽孔42眼,分兩組設在通往兩樓的路下,佔地面積約500 m2,矩陣型(2×10和2×11)分布排列,鑽孔半徑55mm,鑽孔間距5m,鑽孔深度70m,總鑽孔量2940m,埋DN32單U型管,埋管長度5880m,埋管周圍的空隙用鑽孔回收泥漿填埋。水平干管埋在深度2m的水平溝內。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換通過調整機房配水管路中的換向閥門來實現。為防止結垢、保持水質穩定,我們在地耦管內充注了軟化水,為避免地耦管循環水在冬季運行時結冰,我們按能抵抗-7℃的低溫加入了一定濃度的乙二醇溶液。
2 運行情況及數據分析
  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,實測的土壤導熱系數在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,我們作了相關的運行記錄,在地耦管循環水、空調循環水管路上共設了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、地耦管循環泵、空調水循環泵、補水泵等的電耗通過電度表測得。熱泵機組的制冷(熱)量通過測量空調循環水進出口溫差和相應的流量得到。地耦管的排(。┤攘客 飭康傴罟苧 匪 隹諼虜羆跋嚶Φ牧髁康玫。
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,經過半年多的使用,積累了大量測試數據。根據記錄,進入土壤源熱泵的循環液溫度, 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,隨後逐漸減少,一般 4~6小時後地耦管與周圍土壤的換熱進入相對穩定的階段,循環液進出口水溫也較穩定,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的流量,即可得出熱泵機組的制冷(熱)量、地耦管總的。ㄅ牛┤攘亢偷в蛔昕壯ゥ鵲娜。ㄅ牛┤嚷,再測量相應時間段內熱泵機組的功耗和系統的總功耗,我們可以分別得到機組的制熱(冷)能效比EER(Energy Efficiency Ratio)值和系統的EER值。圖1是1月20日循環液進出地耦管水溫隨時間的變化圖,圖2是7月2日循環液進出地耦管水溫隨時間的變化圖, 從兩圖中的循環液進出水溫度的變化趨勢可以看出,機組啟動以後約四五個小時以後,溫度的變化幅度逐漸變。 ЛЫ饔諼榷。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較低。 

  在機組的運行中,由于最大冷熱負荷只出現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︰},可根據負荷使用量自動調整壓縮機和地耦管循環泵的運行狀態及啟停時間,正好適應系統要求,使系統一直工作在節能狀態。統計至2004年8月10日,地耦管系統實際共運行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),低于常規系統。雖然設備初投資比傳統中央空調造價要高20-30%,但系統用節約的電在4-6年內即可收回多用的投資。


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