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空气-土壤双源热泵系统在我国北方地区的应用

作者:空气源热水器   添加时间:2017-01-07 15:56:35   浏览:

摘要;土壤热不平衡是制约地埋管地源热泵在北方地区长期可靠运行的关键问题。耦合空气源补热器的复合地埋管地源热泵系统可充分利用土壤土壤源和空气源的优势,从根本上解决该问题,满足用户供暖、供冷和供生活热水需求,空气源补热器从高温空气中取热,可运行于直接补热、结合热泵机组补热、结合热泵机组供暖和结合热泵机组供生活热水4种模式,通过增加补热和减少取热两方面维持土壤热量平衡。以TRNSYS为平台搭建系统模型,分析了高系统的长期运动特性及其在哈尔滨、长春、沈阳等不同地区的适用性。结果表明:该系统可较好地维持土壤热平衡;机组供暖COP3.26~3.83,相对燃煤锅炉+分体式空调系统节能率为24%~34%;系统初投资低,新增空气源补热器初投资仅占2%~3%,相对燃气锅炉辅助供暖和太阳能集热器辅助不热的复合系统具有较好的经济性,该系统是一种经济可靠、清洁高效的供暖空调形式,有助于地埋管地源热泵在北方地区的合理推广及应用。

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引言

地埋管地源热泵通过地埋管与低品位的土壤换热,具有清洁高效、适用范围广的优点。自20世纪80年代引入我国以来,在各地政策的支持下,地脉管地源热泵在我国的应用面积迅速增加,特别是大量用于北方地区建筑的供暖,但该类建筑多以热负荷为主,地埋管地源热泵全年从土壤的累计取热明显大于排热量,导致土壤热量失衡,土壤温度下降,系统供暖性能衰减,甚至无法正常运行。

针对该问题,目前有两大类常见解决方案:

1)优化埋管设计,如增加埋管间距、深度和数量。该方法通过增大土壤蓄热体积,可一定程度缓解热不平衡,但由于未改变系统与土壤的换热量,并不能从本质上解决这一问题。同时。随着埋管间距、深度和数量的增加,施工难度和占地面积增大,系统出投资也将随之增大。

2)增加辅助设备,构建复合系统,实际工程中常用的辅助设备有锅炉、太阳能集热器等。采用辅助锅炉供暖能效低且带来高品位能源的浪费,同时也会造成环境污染,太阳能集热器的初投资普遍较高,受天气影响明显,且需要较高的运行维护费用。

在常规地源热泵系统中增加空气源补热器,可充分利用地源和空气源的优势,有效地解决北方地区地埋管地源热泵的热不平衡问题。

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1.系统原理

增加向土壤的补热量,同时减少从土壤的取热量,实现系统与土壤的取排热量平衡,是解决北方地区埋管地源热泵热不平衡问题的基本思想。空气源补热器(AHC)是一种具有较高换热性能的风冷换热器。室外空气温度较高时,AHC可通过循环介质与空气的直接换热将热量蓄存在土壤或者供给热泵,具有热换效率高、结构简单、安全性能高的的优点。本文在常规地埋管地源热泵(GCHP)基础上增加AHC,构建负荷地埋管地源热泵系统(AHC-GCHP,其系统组成:常规GCHP系统,由地源热泵供暖空调机组和地源热泵热水器分别提供供暖空调和生活热水;新增的AHC部分,可运行直接补热(AHC-dc)、结合地源热泵机组补热(AHC-pc)、结合地源热泵机组供暖(AHC-ph)和结合地源热泵热水器供生活热水(AHC-pw4种功能,通过增加向土壤的补热量和减少从土壤的取热量两组与地埋管连接,与常规地源热泵系统类似,主要用于供暖和供冷。

2)冬季的初期和末期,当室外空气温度升高、室内热负荷减少时,AHC与地源热泵供暖空调机组结合,运行于AHC-ph模式。此时,热泵机组通过AHC从空气中取热向室内供暖,减少系统从土壤的年累计取热量。

3)对于用户的生活热水需求,冬季室外温度较低,地源热泵热水器通过地埋管从土壤取热,当非冬季室外空气温度升高时,AHC与地源热泵热水器连通,运行于AHC-pw模式,减少从土壤的取热量。

4)另外为维持土壤热量平衡,当室外空气温度高于Tdc时,AHC直接与地埋管连通,运行于AHC-dc模式,地埋管内循环介质通过AHC,直接从空气取热,并将热量内循环介质通过AHC直接从空气取热,并将热量蓄存至土壤中。

5)当温度处于TpcTdc之间的时候,AHC直接补热效果变差或无法运行,AHC可与地源热泵供暖空调机组结合,运行于AHC-pc模式,在机组的作用下, AHC仍可从空气中取热,并提高土壤的补热温度和补热量。

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AHC-GCHP系统可充分利用地源和空气源的优势,并根据热源能量品位的变化实现其灵活切换,满足北方地区的供暖、供冷和供生活热水的需求,此外,AHC的补热功能即可减少空气与地埋管循环介质间的换热环节进行直接补热,又可结合热泵机组的运行拓宽可利用的室外空气温度范围,提高补热温度和补热量,有效地维持了地埋管地源热泵系统的热量平衡。


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