太陽能多能互補(bǔ)平衡方式及選型計(jì)算

摘要：本文通過空調(diào)冷熱負(fù)荷分析，對(duì)基于低溫平衡的技術(shù)方法進(jìn)行分析，提出解決措施并針對(duì)性地進(jìn)行舉例計(jì)算，特別是太陽能跨季節(jié)儲(chǔ)能的集熱器面積計(jì)算，多能互補(bǔ)設(shè)計(jì)需求。 　　0前言 　　地源熱泵因其自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵從地下土壤吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，土壤溫度逐漸降低，造成冬季使用時(shí)地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度降低，系統(tǒng)供熱量下降，耗能功率上升，供熱系數(shù)COP降低，一般情況下，土壤溫度降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3%～4%。同理，對(duì)于南方地區(qū)，由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷，地下土壤的溫度越來越高，機(jī)組的冷凝溫度提高，制冷量減少，耗能功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的可靠保證。 　　對(duì)于水平埋管地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進(jìn)行充分地?zé)峤粨Q，因此不存在地下土壤的熱平衡問題。對(duì)于垂直埋管，如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱（或冷卻）方式，（混合式地源熱泵系統(tǒng)）。對(duì)于南方地區(qū)，夏季炎熱、冬季暖和，則系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)夏季排熱量遠(yuǎn)大于冬季吸熱量，為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，可采用加冷卻塔方式輔助散熱。對(duì)于北方地區(qū)，冬季寒冷、夏季溫度適宜，則系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冬季吸熱量遠(yuǎn)大于夏季排熱量，因此為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，可與其他能源相結(jié)合（如太陽能、生產(chǎn)生活廢熱、鍋爐等）。 　　1夏季排熱量大于冬季吸熱量 　　對(duì)于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū)，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)或采用熱回收方式。 　　1.1冷卻塔應(yīng)用 　　冷卻塔－土壤源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。 　　選型計(jì)算實(shí)例： 　　總建筑面積27946m2，總空調(diào)面積約18298m2，選型并配置空調(diào)系統(tǒng)。本項(xiàng)目空調(diào)冷指標(biāo)取120W/m2，空調(diào)熱指標(biāo)85W/m2，則總冷負(fù)荷為2196kW，總熱負(fù)荷為1555kW。 　　地埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。地源熱泵地下?lián)Q熱器所處位置是在地殼中的淺層地表土壤中。土壤類型、熱性能、熱傳導(dǎo)、密度、濕度等對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的性能影響較大。需根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際情況，計(jì)算單位管長的換熱器能力。具體設(shè)計(jì)步驟如下： 　　1.1.1地埋管換熱器最大換熱量 　　地埋管換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤中吸收的熱量。根據(jù)如下公式計(jì)算土壤換熱器的換熱量 　　即系統(tǒng)夏季最大總排熱量為2635kW，冬季最大總吸熱量為1210kW。 　　1.1.2豎井埋管管長 　　單位管長換熱量與地質(zhì)結(jié)構(gòu)成分有密切關(guān)系，各地質(zhì)層傳熱性能有差異，建立模型計(jì)算比較困難，而且也存在一定誤差，根據(jù)北京威樂項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算單位管長換熱量，單位孔深排熱量56W/m，單位孔深吸熱量34W/m。（單位換熱量根據(jù)該項(xiàng)目巖土熱響應(yīng)測試后的實(shí)際情況調(diào)整）。 　　按排熱量計(jì)算地埋管的長度，計(jì)算公式如下： 　　則本項(xiàng)目室外地埋管總設(shè)計(jì)豎井?dāng)?shù)為360口。 　　1.1.4豎井間距 　　本項(xiàng)目埋管孔徑約120mm~150mm，下管深度100m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯雙U 管。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)井間距為5m，既能滿足換熱需求，又能節(jié)省埋管空間。地埋管換熱器管路連接方式結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式比較，本工程選用并聯(lián)換熱器連接方式。 　　1.1.5冷水主機(jī)選擇 　　系統(tǒng)冷負(fù)荷為2196kW，熱負(fù)荷為1555kW；選擇2 臺(tái)制冷量為310RT（1090kW）的螺桿式地源熱泵冷水主機(jī)，冷水主機(jī)型號(hào)為RTHD-D1。 　　1.1.6冷卻塔選擇 　　輔助冷卻塔采用閉式冷卻塔，剩余部分熱量Q4由輔助冷卻塔排出： 　　1.2回收利用多余熱量制造生活熱水 　　在夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷的地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)土壤熱量得失不平衡問題，用冷卻塔將系統(tǒng)多余熱量散發(fā)至空氣中是較常用的方法，但浪費(fèi)熱能，若合理利用這部分熱量，將是節(jié)約能源的一個(gè)有效方法。 　　系統(tǒng)夏季向土壤釋放的熱量大于冬季從土壤中取出的熱量，要利用這部分能量，應(yīng)從建筑能源需求的其他方面考慮。如今建筑生活熱水一般是全年供應(yīng)，已有一些工程將系統(tǒng)多余熱量回收用于制造生活熱水，不僅避免了這部分能量的浪費(fèi)，還節(jié)約了部分制造生活熱水所需的一次能源。下面以武漢某工程為例分析這種方法的使用情況和效果。 　　注：1.制冷工況：閥門1、2、7、8開，閥門3、4、5、6關(guān)。 　　2.制熱工況：閥門3、4、5、6開，閥門1、2、7、8關(guān)。 　　實(shí)例：此工程是一座集辦公、實(shí)驗(yàn)、對(duì)外接待的節(jié)能型辦公大樓?？偨ㄖ娣e27242m2其中：實(shí)驗(yàn)室8862m2，單身公寓1080m2，辦公17300m2（含地下室）。地下一層為車庫及設(shè)備用房，一層至四層為實(shí)驗(yàn)室用房及單身公寓、餐廳；五至十九層為辦公用房，其中九層為計(jì)算機(jī)用房。主樓一至四層實(shí)驗(yàn)室及五至十九層辦公樓（21000m2）擬采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為建筑物的冷熱源及提供單身公寓生活熱水。而單身公寓、附樓實(shí)驗(yàn)室（6242m2）擬采用VRV 空調(diào)制冷及供暖。工程空調(diào)系統(tǒng)原理圖見圖2. 　　1.3土壤溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 　　埋管區(qū)共設(shè)置9個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)垂直設(shè)置9個(gè)土壤溫度傳感器。 　　在該工程中，三臺(tái)熱泵機(jī)組的回收熱量承擔(dān)制造衛(wèi)生熱水所需熱量。地源熱泵機(jī)組在夏季運(yùn)行時(shí)，機(jī)組蒸發(fā)器制冷對(duì)建筑提供冷量，同時(shí)冷凝器向系統(tǒng)外釋熱，利用蓄熱水箱或其他蓄熱裝置回收該部分冷凝熱，并制造熱水，夏季可由部分熱回收機(jī)組為用戶24h免費(fèi)提供45℃~50℃的生活熱水；過渡季節(jié)及冬季用全熱回收地源熱泵機(jī)組提供50℃~55℃衛(wèi)生熱水；強(qiáng)化冷凝器換熱效果，提高機(jī)組運(yùn)行的COP值。 　　2冬季吸熱量大于夏季排熱量 　　對(duì)于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方地區(qū), 最常用的方法是采用輔助加熱系統(tǒng)。 　　寒冷地區(qū)，建筑冬季供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵冬季從地下土壤吸取的熱量大于夏季向土壤排放的熱量，土壤溫度逐漸降低，系統(tǒng)供熱量下降，耗能功率上升，供熱系數(shù)降低。 　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下土壤溫度每降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3%~4%。所以，為了保證熱泵系統(tǒng)能夠長久、正常的運(yùn)行，并充分體現(xiàn)其節(jié)能性，需要在系統(tǒng)中加入輔助加熱設(shè)備，以解決在寒冷地區(qū)應(yīng)用地埋管地源熱泵所面臨的土壤熱平衡問題。太陽能集熱器是最常用的輔助加熱設(shè)備，系統(tǒng)可通過閥門控制來實(shí)現(xiàn)太陽能直接供暖，太陽能與熱泵聯(lián)合供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱運(yùn)行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)使用。夏季與過渡季節(jié)，太陽能集熱器主要用于提供生活熱水。太陽能—地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理如圖3所示。 　　SGCHPSS系統(tǒng)將太陽能蓄熱與地源熱泵有機(jī)結(jié)合。充分利用太陽能和淺層地表能，將太陽能跨季節(jié)蓄熱結(jié)合到地源熱泵的地下埋管換熱器系統(tǒng)中，使地下土壤換熱器與地下蓄能合二為一，將太陽能儲(chǔ)存于地下土壤中，提高土壤冬季熱源溫度，提高地源熱泵效率，實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)移利用。 　　計(jì)算實(shí)例： 　　北京別墅，地上兩層，建筑高度6.2m，總建筑面積408m2，室內(nèi)外參數(shù)如表1所示： 　　計(jì)算建筑物的全年累計(jì)熱負(fù)荷為23478.3kW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷為11421 kW·h. 　　1. 逐月太陽輻射強(qiáng)度 　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)圖集06SS128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》得北京逐月陽光輻照量如表2所示 　　2. 集熱器效率 　　太陽能集熱器集熱效率應(yīng)根據(jù)選用產(chǎn)品的實(shí)際測試效率公式（9）或（10）進(jìn)行計(jì)算： （山東格瑞德集團(tuán)有限公司袁家普）