地源熱泵在北方地區使用應注意哪些問(wèn)題

  北方冬季供暖的需求較大，那么如何利用水地源熱泵中央空調進(jìn)行供暖呢，本文僅對北方寒冷地區應用地源熱泵的有關(guān)問(wèn)題做一些討論，僅供參考。

 

  一 地下土壤的熱平衡問(wèn)題

 

  因地源熱泵（GSHP）的自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負荷相當的地區。在寒冷地區由于其冬季供熱負荷大于夏季供冷負荷，造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使土壤溫度有可能逐漸降低，造成冬季使用時(shí)地源熱泵機組的蒸氣溫度降低，致使系統供熱量下降，耗功率上升，供熱系數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，對于南方地區，由于夏季空調冷負荷大于冬季供暖負荷，可能造成地下土壤的溫度越來(lái)越高，造成機組的冷凝溫度提高，致使制冷量減少，耗功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統的吸、排熱平衡是地源熱泵系統正常、高效運行的可靠保證。

 

  對于水平埋管的地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進(jìn)行充分地熱交換，因此不存在地下土壤的熱平衡問(wèn)題。對于垂直埋管，一般埋深大多數30—100m，此時(shí)與地面及附近土壤的熱交換量較小，根據實(shí)測和理論計算，建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20％為好。如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱(或冷卻)方式，有的把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統稱(chēng)為混合式地源熱泵系統。對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區，最常用的方法是采用帶有太陽(yáng)能集熱器輔助加熱的太陽(yáng)能—地源熱泵系統。對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統。上述兩種熱泵系統在一定的氣候地區，與單獨的GSHP相比，一般具有節省投資和降低運行費等優(yōu)點(diǎn)。

 

  太陽(yáng)能—地源熱泵系統可通過(guò)閥門(mén)的控制來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能直接供暖，太陽(yáng)能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽(yáng)能集熱器集熱土壤蓄熱的運行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽(yáng)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(guò)熱泵提升后供給采暖用戶(hù)，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調用。夏季與過(guò)渡季節，太陽(yáng)能集熱器主要用于提供生活用熱水。

 

  二 土壤凍結對埋管換熱器傳熱的影響

 

  在北方寒冷地區，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周?chē)瑵窳康耐寥揽赡軆鼋Y。根據定性分析，水份凍結時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來(lái)，因此在吸收同等數量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設計中不考慮土壤中水份凍結的影響，計算出的地下埋管周?chē)臏囟葓?chǎng)偏低與實(shí)際情況偏差較大，水份越多，差別越大，因此設計中應考慮水份凍結的影響。但目前有關(guān)巖土凍結和其計算方法方面的研究文獻不多，但可以肯定土壤凍結對地下埋管換熱是有利的。有的文獻提出在長(cháng)期連續運行時(shí)，如不考慮凍結的影響，換熱器尺寸要比實(shí)際偏大31％。有的采用簡(jiǎn)化方法，把埋管與周?chē)寥罁Q熱過(guò)程按未結凍和凍結兩種模型計算，凍結時(shí)按凍結區的當量導熱系數、比熱和密度及末凍結時(shí)的導熱系數、比熱和密度分別建立盤(pán)管內流體能量方程、盤(pán)管壁的能量方程、土壤凍結時(shí)的能量方程、土壤末凍結時(shí)的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到凍結時(shí)和末凍結時(shí)的土壤溫度場(chǎng)分布情況?？紤]凍結時(shí)的土壤溫度均高于未考慮凍結時(shí)的溫度，而且含水量越高，溫度差別越大。

 

  三 埋管內工作流體

 

  在南方地區，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃，一般均使用防凍液。防凍液一般應具有使用安全、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。目前應用較多的有：

 

  ①鹽類(lèi)溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

 

  經(jīng)對水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)進(jìn)行計算，計算結果如下。

 

  3.1 最小管內流速(流量)

 

  按文獻臨界雷諾數Rek＝2000，Re>2000為紊流，Re<2000為層流。由 和 的計算公式，求出上述三種流體不同管徑下的最小流速，即最小流量。計算結果為在相同管徑、相同流速下，其雷諾數大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說(shuō)明采用CaCl和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。

 

  3.2 不同流體管內換熱系數 (W／m2?K)計算

 

  采用文獻[4]計算公式，其計算結果為在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數最大。其大小排序為水－CaCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值與管徑和流速有關(guān)，在常用管徑及流速范圍內，大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

 

  3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)計算

 

  由于地下埋管換熱器內流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑(過(guò)渡)區內，即2100<Re<105。在此范圍內，根據文獻[3]的hf及沿程阻力系數λ的計算公式，計算結果為在相同管徑、相同流量下，CaCl水溶液的hf的水的1.44倍；乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。

 

  寒冷地區應用地源熱泵技術(shù)應考慮地下土壤的熱平衡問(wèn)題，采用太陽(yáng)能輔助加熱的系統是優(yōu)先的選擇。土壤凍結對埋管換熱器的傳熱有利，設計中應考慮此影響。埋管內工作流體應采用不凍液，由于不凍液的熱物性參數變化，其埋管內最小流速，流體管內換熱系數、流體阻力均與水有很大的不同，設計中應充分注意