夏热冬冷地区复合式地源热泵适宜性研究

闵科峰

夏热冬冷地区复合式地源热泵适宜性研究

闵科峰

长沙北辰房地产开发有限公司

夏热冬冷地区，单一地源热泵系统的使用会出现土壤温度逐年增高，系统效率逐年下降的问题。为了解决这一问题，人们提出了复合式地源热泵系统的解决方案。本文从气候、地质、经济性以及控制策略几点出发来讨论复合式地源热泵系统在夏热冬冷地区的适宜性。

夏热冬冷地区，复合式地源热泵，适宜性

0引言

地源热泵系统受到了越来越多的关注，在工程实践中也成为更多人的选择。地源热泵系统可分为地耦合水源热泵系统、地下水水源热泵系统以及地表水水源热泵系统[1]。地源热泵系统运行的效果及其稳定性在很大程度上取决于冷热源的优劣程度及其稳定性。气候往往是影响冷热源好坏的最主要原因，而其稳定性则主要取决于全年累计冷热负荷的平衡性。夏热冬冷地区是典型的以冷负荷为主导的区域，建筑全年所需要的冷负荷大于热负荷，长此以往会带来地表水、土壤以及地下水温度的升高，从而影响地源热泵系统的运行。复合式地源热泵恰好能够利用冷却塔的辅助散热来很好地解决这一问题。本文将以并联式冷却塔辅助散热系统为例展开讨论。

1夏热冬冷地区气候与地质特点

1.1气候特点

从建筑热工角度将我国划分为五个气候区：严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖及温和地区。与其他四大气候区相比，夏热冬冷地区的气候特点为：夏季闷热，冬季湿冷，日夜温差小；降雨量大，日照较少，春末夏初为梅雨期，阴雨天气较多。

夏季天气炎热，且湿度较大，月平均气温在25～30℃，有些地区最高温度能够达到35℃以上，环境湿度常年保持在75%左右。昼夜温差小，白天闷热有风，夜晚多为无风天气。冬季天气寒冷、潮湿，最冷月平均温度在0～10℃之间，其中日平均温度＜5℃的天数最多可达90天[2]。为了满足居民对生活舒适度的要求，夏季需要制冷，冬季需要供暖。

1.2地质特点

夏热冬冷地区主要位于长江流域附近，主要区域为上海、江苏、浙江、江苏、福建、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州等14个省市。该地区土质松软，由于降水量较北方相对丰富，因此其土壤含水率较高，地下水含量也相对丰富。与北方相比打孔的难度低，大大降低了打孔的成本，同时也减少了土壤源热泵系统的初投资[3]。除此之外，夏热冬冷地区地下水储量丰富，也是使用地下水源热泵系统的适宜地区。

2建筑的负荷特点

夏热冬冷地区是典型的冷负荷主导区域，全年的累计冷负荷大于热负荷。据相关数据统计[4]，该地区酒店类建筑的负荷特性参数（全年逐时积累冷负荷与热负荷的比值）平均值为1.82，办公类建筑为2.36，住宅类建筑为1.2。可以看出，办公类建筑负荷的累积效应最为明显，而住宅类建筑不明显。这是由于办公类建筑运行时间为白天，夏季白天的逐时冷负荷大于冬季的逐时热负荷，且夏季的运行时间比冬季长等诸多原因造成的。整体上看冷热负荷的失衡情况明显，从长远角度来看，夏热冬冷地区对复合式地源热泵的需求是显然的。

3地源热泵系统的特点以及影响因素

3.1特点

地源热泵系统是一种利用浅层地热能，将地表水、土壤以及地下水中储藏的低品位能源应用到建筑的制冷和供热中。该系统是一种环保、清洁、高效的热泵系统。以土壤源热泵系统为例，通过地埋管换热系统，将土壤中的低品位冷输送到用户端。与常规热泵系统相比，其优势体现在：该系统能耗比较低，土壤温度在夏季时较空气温度低，冬季较空气温度高，并且常年趋于稳定。

4冷却塔辅助散热系统的提出

地源热泵由于其自身节能、环保的优点，在全世界范围内得到了充分的应用。但是如果地源热泵系统承担的负荷较大，往往会出现取热与放热不平衡的现象，长此以往，将会导致土壤温度上升或下降的后果，对系统持续稳定运行不利。在我国夏热冬冷地区表现为散热多于取热，这主要是由于夏季负荷强度大于冬季，并且夏季机组的运行时间长于冬季造成的。而这一问题大大地限制了地源热泵系统在夏热冬冷地区的应用与发展，为了解决这一问题，人们提出复合式地源热泵系统这一方案。该系统利用辅助冷却装置来承担部分负荷，在维持土壤热平衡的同时，也降低了系统的初投资，提高了系统的经济性与运行可靠性。最常见的辅助冷却设备为开式的冷却塔[5]。

早在1995年，ASHARE就提出了以冷负荷为主导建筑的复合式地源热泵系统的设计程序[6]，并提出了一系列的指导方针。

5影响冷却塔运行的因素

空调系统中最常使用的为开式冷却塔，本文就以开式冷却塔为例，来探究冷却塔在夏热冬冷地区的适宜程度。在开式冷却塔中，水与空气直接接触，依靠空气与水的温差换热以及水的气化潜热来降低水温。因此影响冷却塔冷却效果的最主要因素是空气的湿球温度。

冷却塔辅助散热系统属于冷却塔供冷形式中的间接供冷。以间接供冷小时数来衡量各地区对冷却塔的适宜程度。通过查阅文献[7]和[8]，以全国不同气候区典型城市（哈尔滨、北京、上海、广州、昆明）为例，假设冷却塔的供冷温度为13℃，换热器温差为1.7℃，系统运行时间为9小时，对这几个城市的气象资料进行统计，理论最大小时数，如表1

表1全年供冷时间（h）

3.2影响因素

最常见的地源热泵系统为土壤源热泵系统，管材相同的土壤源热泵，对其换热器性能影响的主要因素包括：土壤温度的分布情况、地下含水量以及其迁移速率、土壤的导热系数和热扩散系数。夏热冬冷地区全年雨量充沛，土壤的含水量较高，有利于土壤与换热器之间的换热。

上述数据为全年供冷小时数，显然全年需要供冷的城市，尤其是在北方城市很少见到。夏热冬冷地区大多数城市位于南方，其供冷的时间一般来讲长于北方。表1在一定程度上能够反映出在夏热冬冷地区中适宜冷却塔运行的城市。

6 复合式地源热泵经济性分析

地源热泵系统的初投资比传统的热泵系统的初投资大，其费用主要消耗在打井和管材上，尤其是打井占了初投资的很大比重。地热泵系统中最常见埋管形式为垂直埋管，垂直埋管的费用一般约100元/m，如果地质紧密或者掺有碎石会大大增加打井难度，打井费用也会相应增加。冷却塔的引入会减少地源热泵系统中的埋管长度，减少竖井的数量，从而减少了整个系统的初投资。除此之外，还减少了土地的使用面积，节约了土地。但同时也相应地增加了系统的运行费用。只有合理地调配二者制冷量的比例才能达到经济性的要求，但从长远来看，即使总投资上有所增加，但是复合式系统能很好地保持系统的长期运行性能和效果。

以长沙北辰三角洲B2区精品酒店复合式地源热泵项目为例。该项目位于长沙市开福区与浏阳河南向交汇处，总建筑面积约为20000.00m2，空调热负荷为1226kW，冷负荷为2860kW，热水负荷为436kW。竖直埋管单位长度的换热量为45W/m，井深为100m，打井费用为7000元，管材费用为3.5元/m，则埋管费用为元1050元/kW。建筑物冷热负荷高峰期可由冷却塔来承担部分负荷，假设冷冻水与冷却水的进出口温差相同，机组的EER为4，则单位负荷所需要的冷却水量为：

式中：Q1为冷却水排热量；Q2为冷冻水吸热量。

可得出冷却水量为0.214t/kW，市场冷却塔价格约为200元/t，则增加的费用为42.8元/kW，且水泵为同一型号。详细费用如表2所示。

表2初投资费用表（元/kW）

复合式地源热泵与传统型的地源热泵相比，其运行费用会增加。一般来说冷却塔承担的负荷比重越大其增加的运行费用越多，增加费用的多少与其系统的设计和采用的设备类型有关。但总的来看，采用合理冷却比例的复合式地源热泵系统比传统的地源热泵系统更经济。

7复合式地源热泵系统的运行控制策略

复合式地源热泵除了要准确选择辅助散热装置的规格以外，还要设计出在整个系统中开启及关闭辅助散热装置控制条件，确定出运行控制方式。只有合理的设计才能充分展现出在全年负荷不平衡地区使用复合式地源热泵系统的优势。

常用的的控制策略可分为三种：设定温度控制、温差控制、开启时间控制。除此之外，很多学者对复合式地源热泵系统的运行策略进行了优化，其中华中科技大学於仲义等[9]根据制冷季节机组的运行情况，对其运行进行了优化。在制冷初期负荷呈上升趋势，末期成下降趋势，因此可制定初步的运行策略：前期由于室外温度相对较低，主要以冷却塔制冷为主；中期冷负荷逐渐上升到峰值需要冷却塔与地埋管系统一起工作，协同为建筑供冷；末期与前期运行策略相同。具体的来讲：

1）当冷却塔能够达到的冷却温度低于冷凝器要求的全年平均进水温度时，且冷却塔的冷却容量能够满足冷凝器换热要求时，采用单独使用冷却塔运行的策略。

2）当冷却塔能够达到的冷却温度低于冷凝器要求的全年平均进水温度，但大于实际的冷凝器进水温度，且不能满足冷凝器换热量时，采用单独使用地埋管运行策略。

3）当冷却塔能够达到的冷却温度高于冷凝器要求的全年平均进水温度，且大于实际的冷凝器进水温度，同时地埋管换热量不能满足冷凝器换热量时，采用冷却塔和埋管同时使用的策略。

8结论

1）夏热冬冷地区气候比较恶劣，夏季需要制冷，冬季要供热。该类地区地质松软，地下水含量丰富，适宜使用地源热泵系统。但由于存在全年冷热负荷不平衡问题，制冷效果逐年下降，能耗增加，复合式地源热泵的提出很好地解决了这一问题。

2）冷却塔是最常见的辅助性散热设备，其运行的良好性在一定程度上影响整个系统的效果。本文从全年冷却塔的使用时间来分析其在夏热冬冷地区冷却塔的适宜性，从数据来看，五大气候区中夏热冬冷地区为较适宜地区。

3）复合式地源热泵系统会减少初投资的费用，冷却塔承担的冷却比例越大减少的初投资也就越多；但同时也会增加系统的运行费用，一般来讲与冷却塔的冷却比例成正比。但是合理冷却比例的复合式地源热泵系统比传统的地源热泵系统更经济。

4）复合式地源热泵系统的运行控制策略的优劣直接影响到了系统的运行费用，良好的运行控制策略能够保持土壤的热平衡，提高系统的运行效率，降低运行能耗。

[1]汪训昌.关于发展地源热泵系统的若干思考[J].暖通空调,2007, 37(3):38-43

[2]牟志平,夏义全.关于夏热冬冷地区建筑节能的思考[J].建筑节能,2007,35(11):57-60

[3]蒋崴,金培彪.夏热冬冷地区地源热泵空调系统的可行性研究[J].大众科技,2010,(8):143-144

[4]许磊.夏热冬冷地区地源热泵技术的应用研究[D].南京理工大学,2013.

[5]ZishuQia,Qing Gao,Yan Liua.Status and development of hybrid energy systems from hybrid ground Source heat pump in China and other countries[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2014,29:37-51

[6]Caneta Research Inc.Commercial/Institutional Ground-Source Heat Pump Engineering Manual[M].Atlanta:ASHRAE,1995

[7]马最良,孙宇辉.冷却塔供冷系统运行能耗影响因素的研究与分析[J].暖通空调,2000,30(6):20-22

[8]漆海兵.冷却塔供冷系统设计研究[J].制冷技术,2013,33(2): 57-61

[9]於仲义,胡平放,王彬,袁旭东.混合式地源热泵系统优化设计[J].暖通空调,2007,37(9):105-109

The Suita bility Study of Hybrid Ground Sourc e He a t Pum p in Hot Sum m e r a nd Cold Winte r Re gion

MIN Ke-feng
Changsha Beichen Real Estate Development Co.,Ltd.

In the hot summer and cold winter region,the use of a single ground source heat pump system(GSHP)have caused some problems,such as,the increasing soil temperature and the declining efficiency of the system.In order to solve this problem,people have proposed hybrid ground source heat pump system(HGSHP).This paper discusses the suitability of HGSHP in hot summer and cold winter region from five aspects including the climate,geology,economics and control strategies.

hot summer and cold winter region,HGSHP,feasibility

1003-0344（2014）05-057-4

2013-11-18

闵科峰（1982～），男，本科，工程师；湖南省长沙市开福区湘江北路1200号北辰三角洲项目建设指挥部（410000）；

E-mail:108754017@qq.com