太阳能多能互补平衡方式及选型计算

摘要：本文通过空调冷热负荷分析，对基于低温平衡的技术方法进行分析，提出解决措施并针对性地进行举例计算，特别是太阳能跨季节储能的集热器面积计算，多能互补设计需求。 　　0前言 　　地源热泵因其自身特点而有其适用的最佳地域范围，即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。在寒冷地区由于其冬季供热负荷大于夏季供冷负荷，造成热泵从地下土壤吸热量大于夏季向土壤的排热量，土壤温度逐渐降低，造成冬季使用时地源热泵机组蒸发温度降低，系统供热量下降，耗能功率上升，供热系数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供暖负荷，地下土壤的温度越来越高，机组的冷凝温度提高，制冷量减少，耗能功率上升。因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。 　　对于水平埋管地源热泵，由于水平管埋深浅，可以与地面进行充分地热交换，因此不存在地下土壤的热平衡问题。对于垂直埋管，如果热平衡性相差较大，可以采取辅助加热（或冷却）方式，（混合式地源热泵系统）。对于南方地区，夏季炎热、冬季暖和，则系统运行时夏季排热量远大于冬季吸热量，为保证地源热泵系统长期稳定运行，可采用加冷却塔方式辅助散热。对于北方地区，冬季寒冷、夏季温度适宜，则系统运行时，冬季吸热量远大于夏季排热量，因此为保证地源热泵系统长期稳定运行，可与其他能源相结合（如太阳能、生产生活废热、锅炉等）。 　　1夏季排热量大于冬季吸热量 　　对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区，最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统或采用热回收方式。 　　1.1冷却塔应用 　　冷却塔－土壤源热泵系统原理如图1所示。 　　选型计算实例： 　　总建筑面积27946m2，总空调面积约18298m2，选型并配置空调系统。本项目空调冷指标取120W/m2，空调热指标85W/m2，则总冷负荷为2196kW，总热负荷为1555kW。 　　地埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。地源热泵地下换热器所处位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤类型、热性能、热传导、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。需根据该项目的实际情况，计算单位管长的换热器能力。具体设计步骤如下： 　　1.1.1地埋管换热器最大换热量 　　地埋管换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤中吸收的热量。根据如下公式计算土壤换热器的换热量 　　即系统夏季最大总排热量为2635kW，冬季最大总吸热量为1210kW。 　　1.1.2竖井埋管管长 　　单位管长换热量与地质结构成分有密切关系，各地质层传热性能有差异，建立模型计算比较困难，而且也存在一定误差，根据北京威乐项目的工程经验来计算单位管长换热量，单位孔深排热量56W/m，单位孔深吸热量34W/m。（单位换热量根据该项目岩土热响应测试后的实际情况调整）。 　　按排热量计算地埋管的长度，计算公式如下： 　　则本项目室外地埋管总设计竖井数为360口。 　　1.1.4竖井间距 　　本项目埋管孔径约120mm~150mm，下管深度100m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯双U 管。根据工程经验，设计井间距为5m，既能满足换热需求，又能节省埋管空间。地埋管换热器管路连接方式结合串联和并联两种方式比较，本工程选用并联换热器连接方式。 　　1.1.5冷水主机选择 　　系统冷负荷为2196kW，热负荷为1555kW；选择2 台制冷量为310RT（1090kW）的螺杆式地源热泵冷水主机，冷水主机型号为RTHD-D1。 　　1.1.6冷却塔选择 　　辅助冷却塔采用闭式冷却塔，剩余部分热量Q4由辅助冷却塔排出： 　　1.2回收利用多余热量制造生活热水 　　在夏季冷负荷大于冬季热负荷的地区，地源热泵系统土壤热量得失不平衡问题，用冷却塔将系统多余热量散发至空气中是较常用的方法，但浪费热能，若合理利用这部分热量，将是节约能源的一个有效方法。 　　系统夏季向土壤释放的热量大于冬季从土壤中取出的热量，要利用这部分能量，应从建筑能源需求的其他方面考虑。如今建筑生活热水一般是全年供应，已有一些工程将系统多余热量回收用于制造生活热水，不仅避免了这部分能量的浪费，还节约了部分制造生活热水所需的一次能源。下面以武汉某工程为例分析这种方法的使用情况和效果。 　　注：1.制冷工况：阀门1、2、7、8开，阀门3、4、5、6关。 　　2.制热工况：阀门3、4、5、6开，阀门1、2、7、8关。 　　实例：此工程是一座集办公、实验、对外接待的节能型办公大楼。总建筑面积27242m2其中：实验室8862m2，单身公寓1080m2，办公17300m2（含地下室）。地下一层为车库及设备用房，一层至四层为实验室用房及单身公寓、餐厅；五至十九层为办公用房，其中九层为计算机用房。主楼一至四层实验室及五至十九层办公楼（21000m2）拟采用地埋管地源热泵系统作为建筑物的冷热源及提供单身公寓生活热水。而单身公寓、附楼实验室（6242m2）拟采用VRV 空调制冷及供暖。工程空调系统原理图见图2. 　　1.3土壤温度数据采集系统 　　埋管区共设置9个点，每个点垂直设置9个土壤温度传感器。 　　在该工程中，三台热泵机组的回收热量承担制造卫生热水所需热量。地源热泵机组在夏季运行时，机组蒸发器制冷对建筑提供冷量，同时冷凝器向系统外释热，利用蓄热水箱或其他蓄热装置回收该部分冷凝热，并制造热水，夏季可由部分热回收机组为用户24h免费提供45℃~50℃的生活热水；过渡季节及冬季用全热回收地源热泵机组提供50℃~55℃卫生热水；强化冷凝器换热效果，提高机组运行的COP值。 　　2冬季吸热量大于夏季排热量 　　对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方地区, 最常用的方法是采用辅助加热系统。 　　寒冷地区，建筑冬季供热负荷大于夏季供冷负荷，造成热泵冬季从地下土壤吸取的热量大于夏季向土壤排放的热量，土壤温度逐渐降低，系统供热量下降，耗能功率上升，供热系数降低。 　　据统计，一般情况下土壤温度每降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3%~4%。所以，为了保证热泵系统能够长久、正常的运行，并充分体现其节能性，需要在系统中加入辅助加热设备，以解决在寒冷地区应用地埋管地源热泵所面临的土壤热平衡问题。太阳能集热器是最常用的辅助加热设备，系统可通过阀门控制来实现太阳能直接供暖，太阳能与热泵联合供暖，地源热泵供暖及太阳能集热器集热土壤蓄热运行流程等。冬季采暖时，以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户，同时，在土壤蓄存部分冷量以备夏季空调使用。夏季与过渡季节，太阳能集热器主要用于提供生活热水。太阳能—地埋管地源热泵系统原理如图3所示。 　　SGCHPSS系统将太阳能蓄热与地源热泵有机结合。充分利用太阳能和浅层地表能，将太阳能跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一，将太阳能储存于地下土壤中，提高土壤冬季热源温度，提高地源热泵效率，实现太阳能转移利用。 　　计算实例： 　　北京别墅，地上两层，建筑高度6.2m，总建筑面积408m2，室内外参数如表1所示： 　　计算建筑物的全年累计热负荷为23478.3kW·h，全年累计冷负荷为11421 kW·h. 　　1. 逐月太阳辐射强度 　　根据国家标准图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》得北京逐月阳光辐照量如表2所示 　　2. 集热器效率 　　太阳能集热器集热效率应根据选用产品的实际测试效率公式（9）或（10）进行计算： （山东格瑞德集团有限公司袁家普）