邵英秀，侯聰霞，王立群，王麗輝，鄭曉亮，張鵬飛.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 05008.河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司冀發(fā)地源熱泵研究所，河北石家莊 050000

地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季冷卻塔補(bǔ)熱研究與實(shí)踐

邵英秀1，侯聰霞1，王立群1，王麗輝1，鄭曉亮2，張鵬飛2
1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050081
2.河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司冀發(fā)地源熱泵研究所，河北石家莊 050000

單采暖地埋管地源熱泵系統(tǒng)幾乎都存在冬夏熱不平衡，冬季地埋管水溫過低的問題。利用夏季較高溫度的空氣進(jìn)行冷卻塔逆向運(yùn)行補(bǔ)熱是技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較好的方式。

地埋管；地源熱泵；冷卻塔補(bǔ)熱

1 冷卻塔補(bǔ)熱研究的技術(shù)路線

在城鎮(zhèn)化以及保障性住房建設(shè)中，地埋管地源熱泵系統(tǒng)幾乎100%是單采暖運(yùn)行，都存在夏季補(bǔ)熱的問題，該問題的解決不但可以完善地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行，而且可以擴(kuò)大地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適用范圍。夏季地下巖土體的補(bǔ)熱是解決地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬夏不平衡，保證單采暖地埋管地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的唯一途徑。綜合考慮各種方案，在沒有余熱資源的條件下，利用夏季較高溫度的空氣通過冷卻塔逆向運(yùn)行加熱地埋管換熱器中的水是技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較好的方式。冷卻塔補(bǔ)熱在國(guó)內(nèi)外還是空白，課題組對(duì)冷卻塔補(bǔ)熱進(jìn)行了系統(tǒng)研究，確定了冷卻塔選型要點(diǎn)和計(jì)算方法。

結(jié)合某小區(qū)地源熱泵項(xiàng)目對(duì)冷卻塔補(bǔ)熱的方式進(jìn)行深入研究。在夏季室外濕球溫度高于20℃的情況下，通過循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)冷卻塔吸收空氣的熱量實(shí)現(xiàn)循環(huán)水溫由17℃提高到23℃，較高溫度的循環(huán)水再輸送至地埋管系統(tǒng)與地下土壤（巖土）進(jìn)行換熱，從而提高地下土壤（巖土）的溫度，實(shí)現(xiàn)熱量的跨季節(jié)儲(chǔ)存。課題主要研究路線如下：根據(jù)單采暖地下局部熱不平衡現(xiàn)象，建立熱量數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并計(jì)算補(bǔ)熱量，確定冷卻塔逆向運(yùn)行補(bǔ)熱方式及設(shè)備選型，最后進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)熱后數(shù)據(jù)采集處理，計(jì)算系統(tǒng)補(bǔ)熱后的供熱效果和效率提高。

2 冷卻塔補(bǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)

課題組在該小區(qū)地源熱泵項(xiàng)目上采用冷卻塔補(bǔ)熱的方式，建立實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，研究冷卻塔補(bǔ)熱的相關(guān)問題。小區(qū)建筑面積78 924㎡，總熱負(fù)荷3 395.88kW，共設(shè)計(jì)100m深單U地埋管換熱器1 300個(gè)。實(shí)際測(cè)量該小區(qū)采暖季逐時(shí)熱負(fù)荷及總耗熱量，采用GLD地源熱泵計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，冬季供暖120天，通過25年的計(jì)算機(jī)模擬，某小區(qū)冬季總耗熱量為6 595 031kWH（實(shí)測(cè)冬季總耗熱量為6 444 896kWH，與計(jì)算相差2.28%）。

模擬夏季配置總制冷量為4 800 000kWH空調(diào)，可以使得地下土壤冬夏熱平衡，25年地下巖土體平均溫度變化為1.1℃，考慮地下巖土體的溫度自然恢復(fù)能力，1.1℃溫升可以忽略不計(jì)。夏季配置空調(diào)向地下的排熱量即為夏季應(yīng)補(bǔ)充的熱量，通過以上計(jì)算機(jī)模擬，夏季空調(diào)的COP值為3.4，即夏季空調(diào)向地下的排熱量（夏季補(bǔ)熱量）為：4800000+4800000/3.4=6211765（kWH）。

3 地下巖土體溫度場(chǎng)的總蓄熱量測(cè)試

冷卻塔作為吸熱設(shè)備，在運(yùn)行時(shí)除了蒸發(fā)過程還存在冷凝過程是一個(gè)多變過程，循環(huán)水溫的極限溫度是空氣的濕球溫度，通常時(shí)間運(yùn)行時(shí)循環(huán)水溫都要比空氣濕球溫度低2℃～3℃，結(jié)合北方地區(qū)的氣象情況，冷卻塔運(yùn)行參數(shù)為：空氣濕球溫度＞20℃，地理管循環(huán)水溫度17℃～23℃，結(jié)合室外氣溫的變化取平均循環(huán)溫差3℃。循環(huán)水供回水溫度為18/15℃～23/20℃。

根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，該地區(qū)室外空氣溫度濕球溫度高于20℃的小時(shí)數(shù)為1700小時(shí)，夏季可用補(bǔ)熱空氣濕球平均溫度為22.95，則冷卻塔的吸熱量為6211765/1700=3 653kW，考慮氣象數(shù)據(jù)具有一定的離散性，循環(huán)水進(jìn)出口溫差按3℃計(jì)算，本項(xiàng)目補(bǔ)熱選用1 000m3/h～1 200m3/h的冷卻塔能滿足夏季補(bǔ)熱需求。以上計(jì)算冷卻塔循環(huán)水進(jìn)出口溫差按3℃計(jì)算。

表1 冷卻塔參數(shù)

風(fēng)量（m3/h） 265000×2風(fēng)機(jī)直徑（mm） 3800×2電機(jī)功率（kW） 15×2重量（自重）（kg） 7380×2重量（運(yùn)行重）（kg） 18500×2進(jìn)水壓力（kPa） 500×2 Dm 64 10m 63.1 16m 60.2噪聲dB（A）

工程施工完畢后，課題組于2015年夏季在該小區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)熱性能的測(cè)試。根據(jù)室外溫度的變化，冷卻塔自動(dòng)運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行1 685h，給地下總計(jì)補(bǔ)熱6 277 210kWh，耗 電（37×3+30）×1685=237 585kWh，補(bǔ)熱系統(tǒng)COP=6277210/237585=26.42。地下土壤平均溫度恢復(fù)到15.2℃，略高于初始土壤平均溫度。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在安裝運(yùn)行了一臺(tái)1 000m3/h的逆流式冷卻塔，對(duì)該小區(qū)的地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱后，從當(dāng)前的補(bǔ)熱情況看，冬季地埋管水溫基本在10℃以上，僅一個(gè)采暖季節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用就可回收增加冷卻塔的費(fèi)用。直接經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)用冷卻塔補(bǔ)熱系統(tǒng)后，冬季采暖可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用39.1萬元，折合4.95元/㎡；運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)后，提高熱泵系統(tǒng)COP值1.2，可節(jié)省電能73.77萬kWh。采用冷卻塔補(bǔ)熱技術(shù)后，年節(jié)約電能73.77萬kWh，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤298t，減排CO21093t，減少SO2排放0.77t、粉塵排放2.9t、NOX排放2t。

5 結(jié)論

1）冷卻塔夏季補(bǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完善了地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，補(bǔ)充現(xiàn)行地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮地下土壤可開采熱量的承載力，扭轉(zhuǎn)現(xiàn)行多數(shù)地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行制熱量逐年衰減20%～30%的現(xiàn)象，降低地埋管安裝數(shù)量20%以上，提高冬季采暖時(shí)的地下溫度，降低地源熱泵系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)用。

2）采用冷卻塔對(duì)地下進(jìn)行補(bǔ)熱，補(bǔ)熱循環(huán)水溫18/15℃，工藝補(bǔ)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于空氣換熱器補(bǔ)熱，可以采用現(xiàn)行建筑設(shè)備市場(chǎng)上成熟的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，無需做專門的產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，使用設(shè)備價(jià)格低、成熟度高，一次性投資低，設(shè)備運(yùn)行效率高，在整體上降低地源熱泵系統(tǒng)總投資和總運(yùn)行費(fèi)用。

3）目前補(bǔ)熱使用的補(bǔ)熱用冷卻塔還是專為散熱設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在后期還需和設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行合作，進(jìn)一步測(cè)試?yán)鋮s塔補(bǔ)熱時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)相對(duì)于散熱時(shí)的變化，依此作為依據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)出一種更適合補(bǔ)熱用的冷卻塔，進(jìn)一步提高冷卻塔補(bǔ)熱效率。

［1］GB 50366-2005 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］，2005.

［2］任曉紅，孫純武，胡彥輝.U型埋管換熱器三維數(shù)值模擬和供熱實(shí)驗(yàn)研究.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（5）：90-95.

［3］李元旦，張旭，周亞泰，等.土壤源熱泵冬季工況啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究.暖通空調(diào)，2001，31（1）：17-20.

TH3

A

1674-6708（2016）168-0224-02

本論文為河北省科技廳指令性課題“地埋管地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)13274511D）的結(jié)題論文。

邵英秀，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

侯聰霞，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

王立群，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

王麗輝，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

鄭曉亮，河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司冀發(fā)地源熱泵研究所。

張鵬飛，河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司冀發(fā)地源熱泵研究所。