地源热泵实际使用中的热平衡问题
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地源热泵是21世纪的一项最具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术。

地源热泵优点:

1、利用大地的蓄能作用,环保效益显著。

2、高效节能,运行费用低。

3、运行安全稳定,可靠性高。

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地源热泵缺点:地源热泵冬夏两季向大地取热量和排热量不平衡。

热平衡问题分析:地源热泵通过热泵将大地中低位热能提高,对建筑供暖,同时使大地中的温度降低,即蓄存冷量以备夏季使用;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行降温,同时在大地中蓄存热量,以备冬季使用。

这一特点决定了该项技术适用于夏热、冬冷且冷热负荷相当的地区。若该系统在冷热负荷不平衡的情况下长期运行,将会使土壤温度逐渐上升或下降,导致地埋管换热器换热环境恶化,换热效率下降,从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。

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以夏季和冬季不平衡率为3%和10%两种条件,得出的结果如下:以五年为一个周期来看,土壤温度逐年升高,温升分别升高了0.812.77。地源热泵系统在热量不平衡率仅为10%的情况下运行五年,土壤温度就明显的升高了2.77,可以推想,若在热平衡率更大时,若不采取必要措施,地源热泵系统运行一段时间之后很可能就无法正常运行。解决方案:根据实测和理论计算,建议以不平衡率20%为界线,即在20%以下时由于土壤本身具有一定的热扩散能力和蓄热能力,热量不平衡对热泵的运行影响不大,不需要采取措施。当热平衡率相差较大(20%以上),需要采取辅助措施:辅助供热和辅助冷却方式。称为复和式地源热泵系统。以热负荷为主和以冷负荷为主的两种情况分析:

1、系统的释热量小于吸取热量。若地源热泵系统在这种情况下长时间运行,将会使土壤温度逐渐下降,使地埋管换热环境恶化,降低换热效率,使出水温度降低,并造成热泵机组的蒸发温度降低,从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。

2、系统的释热量大于吸取热量。原理与上述相反,后果一样。为解决这个问题并提高系统的经济性,在地源热泵系统设计时综合考虑。系统的释热量小于吸取热量,可考虑按照夏季的冷负荷计算地埋管换热器、热泵机组及附属设备规格型号,而在冬季高出夏季的那部分负荷则采取辅助供热的方式补充。可采用带有太阳能集热器的太阳能-地源热泵系统。

3、可考虑按照冬季的工况选择地埋管换热器、热泵机组及附属设备规格型号,而夏季高出冬季的那部分负荷则采用辅助冷却的方式来补充。宜采用带有冷凝热回收装置提供生活热水的地源热泵系统或冷却塔、冷却池等混合式地源热泵系统。

附带有冷凝热回收装置的地源热泵系统原理图由压缩机排出的高温高压的制冷剂气体首先经过板式换热器,将热量传给生活热水从而使得进入冷凝器的制冷剂温度大大降低,经过处理的自来水在板式换热器中得到热量,被加热后流入生活贮水箱,经过循环后达到60的生活热水标准。

这种方式在夏季时不但降低了冷凝温度,提高了机组性能,而且使废热得到有效利用,但冬季要消耗部分地源热泵有效热量。

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结论:

1、确定使用混合式地源热泵系统的依据应该是建筑物的负荷特性而不是建筑物的所在地。

2、计算系统向地下释放的热量和从地下吸取的热量应该是逐时累计值,而不是夏季设计日的最大小时的冷负荷之与冬季设计日的最大小时的热负荷值。

3、 冷凝热回收装置冷却塔辅助散热的混合式地源热泵系统应用于冷负荷大于热负荷的实际工程中能有效地解决热不平衡的问题,而且可以改善地埋管换热器的换热环境,提供机组的效率,降低初投资和运行费用。