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地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案

浏览次数: 日期:2014-04-18

地源热泵是以大地为热源对建筑进行供热或制 冷的技术。作为一项可持续发展的建筑节能技术正在 逐步走向成熟,它有着空气源热泵不可比拟的优点,地埋管地源热泵系统只会引起土壤温度的变化,而不 会引起地下水位下降和地面的沉降,也不存在地下水 污染和回灌不完全等问题。是一种对环境比较安全的 取、放热方式。 地源热泵系统中的地埋管换热器分为水平地埋管换热器和竖直地埋管换热器,水平地埋管换热器通 常距离地面 1~2 m,由于埋深较浅,可以和地面进行 充分的热交换,因此,不存在地下土壤的热平衡问题。 竖直埋管换热器通常埋深在 30~100 m 之间,其热交 换对象是深层土壤,而深层土壤又不可能与地表环境 进行充分的热交换,就容易使得土壤出现取、放热的 不平衡。

1 、地下土壤热失衡的原因
       冬季通过热泵提取地下的低位热能给建筑物供 暖,同时,地下埋管周围的温度降低;夏季通过热泵把 建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时,地 下埋管周围的温度升高。显然,这种温度的升高或降 低,对当年采暖(或空调)季的地埋管换热器的传热性 能有一定影响。如果在 1 年中冬季从地埋管换热器中 抽取的热量与夏季向地埋管换热器输入的热量平衡, 则地埋管换热器在数年的长时间运行后,地下的年平 均温度没有变化,对地埋管换热器的性能没有影响。 在夏热冬冷地区,供冷和供暖的天数相差无几, 冷热负荷基本相等,因此,垂直地埋管地源热泵的最 佳使用区域是夏热冬冷和冬夏冷热负荷相当的地区。 在寒冷地区由于其冬季热负荷大于夏季冷负荷,造成 热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量, 致使土壤温度逐渐降低、设备耗功率上升、供热性能 系数 COP 降低,一般情况下,土壤温度降低 1 ℃,会 使制取同样热量的能耗增加 3%~4%。同理,对于南 方地区,由于夏季空调冷负荷大于冬季热负荷,可能 造成地下土壤的温度升高 ,进而致使机组的冷凝温 度提高、制冷量减少、设备耗功率上升。因此,维持垂 直埋管地源热泵地下换热系统的吸、放热平衡是热泵 系统正常、高效运行的可靠保证。

2、利用太阳能的可行性

       在严寒地区和寒冷地区,垂直地埋管热泵的地下 换热系统冬季向土壤吸收的热量远大于夏季向土壤 的排放热量。此时,为了使土壤能够维持热平衡状态、 保证热泵的运行效率,就需要增设一个向系统提供热 量的辅助热源。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭 的绿色环保能源,随着科学技术的不断进步,人们利 用太阳能的技术趋于成熟,从而使其应用于建筑物的 采暖制冷系统中成为可能。另外,太阳能利用比较灵活,规模可大可小,在日照条件好的情况下,以太阳辐 射热作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源 热泵更高的蒸发温度,其系统的能效比(COP)可达到 4 以上。可见,以太阳能作为地源热泵的辅助热源是非常可行的。

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