■ 熱孜望·坎吉林閩李偉亮李衛(wèi)華韓宇

（1.新疆太陽能科技開發(fā)公司；2.東北大學）

新疆地區(qū)太陽能-地源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計與運行效果

■ 熱孜望·坎吉1*林閩1李偉亮2李衛(wèi)華1韓宇1

（1.新疆太陽能科技開發(fā)公司；2.東北大學）

針對新疆地區(qū)的氣候特點及建筑能耗現(xiàn)狀，提出一種綜合利用太陽能和淺層土壤熱能的熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的運行原理，結(jié)合當?shù)氐臍庀髼l件和建筑情況對復(fù)合系統(tǒng)進行設(shè)計，并對系統(tǒng)的運行性能進行測試分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)基本滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)的運行費用大幅降低，在新疆地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景。

太陽能；地源熱泵；供暖系統(tǒng)；運行費用

0　引言

近年來，隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑面積急劇增加，建筑供暖空調(diào)造成的能源消耗和環(huán)境污染已成為國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要實施領(lǐng)域[1]。新疆地區(qū)處于嚴寒地區(qū)，建筑供暖空調(diào)能耗巨大，建筑供暖產(chǎn)生的煙塵是城市環(huán)境污染的主要來源，將熱泵技術(shù)與可再生能源結(jié)合利用是解決嚴寒地區(qū)供暖空調(diào)能耗問題的根本途徑。在節(jié)能減排的壓力下，各種形式的熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)在我國得到了廣泛應(yīng)用，取得了一定的節(jié)能效果。但有很多系統(tǒng)未充分考慮熱源能量輸出特性與建筑負荷特性間的匹配關(guān)系，機械地推廣到嚴寒地區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和節(jié)能性均不理想，甚至有的還不能保證系統(tǒng)長期運行的可靠性。理論研究及工程實踐表明，單一熱源熱泵系統(tǒng)很難兼顧系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟性及可靠性，多能互補耦合熱泵技術(shù)是未來的發(fā)展方向。

美國的Chiasson等[2]對太陽能復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)進行了深入的模擬研究，對美國具有不同氣候特點的6個城市的氣候參數(shù)進行了長達20年的模擬分析，結(jié)果表明，聯(lián)合系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。余延順等[3,4]對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)各種運行工況下的運行特性進行了研究，得出寒冷地區(qū)太陽能保證率及集熱器面積的確定方式。Trillat-Berdal等[5,6]對一棟180 m2獨棟住宅中承擔供暖的空調(diào)及生活熱水的太陽能-地源熱泵系統(tǒng)進行了試驗研究，結(jié)果表明，供暖期內(nèi)熱泵供熱平均COP為3.75。Rad等[7]對太陽能復(fù)合地埋管地源熱泵系統(tǒng)在加拿大寒冷地區(qū)的應(yīng)用進行了可行性研究，結(jié)果表明，相比單一地源熱泵系統(tǒng)，可減少的地埋管長度與集熱器面積的比例為7.64 m/m2，復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)于單一地源熱泵系統(tǒng)。Kadir Bakirci等[8]實驗研究了太陽能復(fù)合垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)在土耳其寒冷地區(qū)的運行性能，結(jié)果表明，在整個供暖期內(nèi)熱泵和整個系統(tǒng)性能系數(shù)在3.0～3.4和2.7～3.0之間。韓宗偉等[9-11]分別通過實驗和模擬方式對嚴寒地區(qū)太陽能季節(jié)性土壤蓄熱和相變蓄熱輔助地源熱泵系統(tǒng)的運行性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽能與地源熱泵的耦合既提高了系統(tǒng)的運行性能，還保證了系統(tǒng)的長期運行可靠性。林媛[12]搭建了關(guān)于太陽能-土壤源耦合熱泵系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，并且在求解仿真模型時給出了綜合換熱系數(shù)，同時還考慮了土壤與換熱器管壁的接觸熱阻，并對地下埋管換熱器周圍土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度場采取有限單元法進行了數(shù)值模擬，分析了埋管換熱器周圍土壤溫度的變化規(guī)律。

為了探索適合新疆地區(qū)的可再生能源供暖空調(diào)方式，本文在充分考慮新疆地區(qū)可再生能源特點和建筑負荷特性基礎(chǔ)上，從理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范角度，對嚴寒地區(qū)多熱源互補熱泵系統(tǒng)構(gòu)建方法和關(guān)鍵技術(shù)展開全方位研究，以推動新疆地區(qū)供暖空調(diào)節(jié)能減排工作的進行。

1　太陽能-熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)工作原理

基于新疆地區(qū)氣象條件的綜合分析，為了充分利用一年四季太陽能和淺層土壤熱能實現(xiàn)建筑可持續(xù)供暖空調(diào)效果，本項目采用太陽能季節(jié)性蓄熱與地源熱泵進行復(fù)合，同時兼顧夏季供冷需求，為此提出了太陽能季節(jié)性蓄熱復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　太陽能季節(jié)性土壤蓄熱復(fù)合地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)圖

由圖1可知，該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、土壤換熱器(地埋管)、熱泵機組、輔助熱源、板式換熱器、供暖末端等組成。圖中蒸發(fā)器與冷凝器屬于同一熱泵機組，為了實現(xiàn)分階段調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中可設(shè)置多個熱泵機組。太陽能集熱器采用并聯(lián)同程式陣列形式，土壤換熱器也采用并聯(lián)同程式連接。 該系統(tǒng)存在6種運行模式：

1)太陽能季節(jié)性土壤蓄熱模式。當在非供暖期或供暖系統(tǒng)停止運行時，可通過地埋管換熱器將集熱器收集到的太陽能蓄存在深層土壤中，以提高土壤換熱器周圍的土壤溫度，保障地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)高效地運行。

2)太陽能土壤蓄熱同時土壤直接供冷模式。工業(yè)園內(nèi)各建筑夏季空調(diào)負荷較小，而地埋管換熱器的換熱長度是按照冬季供暖工況確定的，換熱面積較大。因此，可利用一部分地埋管換熱器進行太陽能土壤蓄熱，另一部分進行空調(diào)供冷。當供暖結(jié)束后，一般土壤換熱器周圍土壤溫度較低，同時由于空調(diào)對象濕負荷較小，此時可利用土壤換熱器直接和土壤換熱制取冷水進行空調(diào)制冷，同時將空調(diào)排熱蓄存至土壤中，其效果有助于土壤溫度場的恢復(fù)。

3)太陽能直接供暖模式。供暖初期建筑物熱負荷較小，同時太陽輻射相對較強，經(jīng)過長時間的蓄熱，土壤換熱器周圍溫度較高，太陽能土壤蓄熱效率相對較低，此時可利用太陽能直接供暖。

4)土壤源熱泵供冷模式。夏季當土壤直接供冷不能滿足要求時，將其作為地源熱泵的冷源供冷確保供冷效果。

5)土壤源熱泵供暖模式。當供暖期為夜間或陰雪天氣時，太陽能集熱器有效集熱量為零，此時運行土壤源熱泵進行供暖。

6)太陽能聯(lián)合土壤源熱泵供暖模式。供暖期內(nèi)白天太陽能有效集熱，但太陽能直接供暖模式難以滿足供暖需求，此時可啟動土壤源熱泵進行聯(lián)合供暖。

2　太陽能-地源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)設(shè)計

2.1示范項目概況

本項目示范點為新疆太陽能科技開發(fā)公司甘泉堡太陽能產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)基地，位于烏魯木齊市高新區(qū)甘泉堡工業(yè)園，占地面積約10萬m2，位于44.4° N，87.7° E。表1給出了甘泉堡基地新建建筑規(guī)劃面積。

表1　甘泉堡基地新建建筑規(guī)劃面積

根據(jù)烏魯木齊地區(qū)的建筑設(shè)計規(guī)范，建筑外圍護結(jié)構(gòu)按照節(jié)能建筑進行設(shè)計。該建筑周邊無城市熱網(wǎng)，為了保障園區(qū)生產(chǎn)和生活需求，同時作為研究基地探索研究適用于新疆地區(qū)的可再生熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)形式，應(yīng)用太陽能集熱、季節(jié)性土壤蓄能、地板輻射供熱/冷等技術(shù)，進行利用太陽能、土壤熱能聯(lián)合熱泵技術(shù)供暖空調(diào)的研究與示范。

2.2建筑動態(tài)負荷特性計算分析

建筑動態(tài)負荷計算需結(jié)合不同建筑的性質(zhì)、使用要求及建筑具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)烏魯木齊地區(qū)的氣象參數(shù)及建筑設(shè)計圖紙，結(jié)合工業(yè)園內(nèi)擬新建的宿舍、餐廳、辦公樓、廠房的不同使用要求，利用DeST軟件對宿舍、餐廳、辦公樓、廠房進行了全年動態(tài)負荷模擬；并通過計算這些地方的全年動態(tài)負荷，確定建筑全年動態(tài)負荷特性。圖2為工業(yè)園內(nèi)建筑全年逐時總負荷變化曲線，計算結(jié)果見表2。由表2可知，一期建筑最大熱負荷為1153.8 kW，因此可確定一期建筑熱泵機組容量為1200 kW。

圖2　甘泉堡基地新建建筑全年逐時總負荷變化曲線

表2　甘泉堡基地新建建筑全年總負荷計算結(jié)果

圖3為供暖期內(nèi)工業(yè)園內(nèi)一期建筑在不同熱負荷值范圍出現(xiàn)的時間統(tǒng)計。由圖3可知，一期建筑熱負荷值在600 kW以下出現(xiàn)時間較多，因此可采用兩臺以上的機組實現(xiàn)分階段調(diào)節(jié)。

圖3　甘泉堡基地新建建筑逐時負荷出現(xiàn)頻段統(tǒng)計

2.3地下土壤換熱區(qū)域地質(zhì)勘測及土壤熱物性測試分析

2.3.1現(xiàn)場地質(zhì)勘測情況

本項目中擬采用土壤熱能進行供暖，傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)取熱形式的不同，可分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。上述3種形式的選擇與地質(zhì)條件密切相關(guān)，在地下水豐富或地表水水源良好的地方，采用地下水或地表水的地源熱泵系統(tǒng)換熱性能好、換熱系統(tǒng)小、能耗低，性能系數(shù)高于地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

現(xiàn)場勘測得到如下結(jié)論：

1)在勘探深度8.0～15.0 m，地層主要由表土和粉土構(gòu)成；

2)場地地下水位埋深2.9～4.7 m，地下水類型為潛水，滲透性、富水性一般，地下水位年變幅為0.5～1.5 m。

3)場地環(huán)境水、土對建筑材料具有強腐蝕性；

4)場地標準凍土深度1.4 m。

此外，根據(jù)現(xiàn)場鉆探254.6 m取水井的結(jié)果來看，由地面至地下254.6 m的土壤類型如表3所示，相應(yīng)土壤類型主要是粘土和砂質(zhì)粘土，其滲透率較差，通過對取水井測試結(jié)果表明，單位涌水量為0.046 L/(s·m)。

表3　不同深度的地質(zhì)類型

2.3.2巖土熱響應(yīng)測試分析

在太陽能季節(jié)性蓄熱復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)中，地下土壤換熱系統(tǒng)既是蓄熱換熱器又是地源熱泵的取熱器，其性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性。在設(shè)計地下土壤換熱系統(tǒng)時不僅需考慮換熱區(qū)域的地質(zhì)條件，還應(yīng)知道土壤的準確的熱物性參數(shù)，因此在本項目設(shè)計之初，首先對現(xiàn)場土壤的熱物性進行了測試分析，測試過程中在不同位置對兩個鉆孔進行了測試，表4為測試孔基本參數(shù)。

表4　測試孔基本參數(shù)

通過測試可知，1#測試孔初始溫度為11.2℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.931 W/(m·℃)，容積比熱容為1.873×106J/(m3·℃ )；2#測試孔初始溫度為 11.3℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.879 W/(m·℃)，容積比熱容為1.969×106J/(m3·℃)。

2.4地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計

地埋管區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以粘土層為主。地下100 m內(nèi)主要由粘土、粉質(zhì)粘土、黃土、細沙構(gòu)成，比較有利于鉆孔，但導(dǎo)熱系數(shù)偏低、地下水量較小、地下水回灌較困難。所以在項目實施中，否定了實行水源熱泵系統(tǒng)方案，決定采用地源熱泵系統(tǒng)方案。

黨的十八大以來，云南省法院緊緊圍繞“努力讓人民群眾在每一個司法案件中感受到公平正義”的目標，堅持司法為民、公正司法，充分發(fā)揮人民法院審判職能作用，為鄉(xiāng)村經(jīng)濟發(fā)展、社會和諧穩(wěn)定作出了積極貢獻。2013年到2017年，131個基層法院審（執(zhí)）結(jié)各類案件1460286件，占全省法院總結(jié)案數(shù)的75.15%。

單位孔深換熱量是地熱換熱器設(shè)計的一個極為重要的參數(shù)，它是確定換熱器容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚程、計算地埋管數(shù)量與埋管結(jié)構(gòu)等的重要依據(jù)。如果單位孔深換熱量取值偏大，將導(dǎo)致埋管數(shù)量偏小、循環(huán)液進出口溫度難以達到要求；進而導(dǎo)致熱泵實際的制熱、制冷量低于其額定值，使系統(tǒng)達不到設(shè)計要求。反之，如果單位孔深換熱量取值偏小，埋管數(shù)量將偏大，工程的初始投始資增大，但熱泵機組的運行費用將會降低[13]。

在地源熱泵運行的額定工況下，針對該地域深層巖土熱物性的測試情況，考慮到當?shù)氐販爻跏紲囟?11.3 ℃)、冬季地埋管循環(huán)液溫度設(shè)定(3 ～7 ℃)等因素，本項目地埋管換熱器采用雙U換熱器，其長度按照取熱工況選取，其單位孔深換熱器為23～26 W/m。

由于在本項目中進行了太陽能土壤蓄熱，埋管換熱器周圍的土壤溫度場可保持以年為周期的熱平衡，因此不需要增加埋管間距來緩解由于冬夏冷熱負荷不平衡而引起的長期運行性能下降的問題。本項目中確定地埋管換熱器間距為5 m，采用矩形排列，考慮到滲流對蓄熱效率的影響，矩形的短邊垂直于滲流方向。

2.5太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計

針對地源熱泵系統(tǒng)冬夏取、排熱不平衡問題，本項目采用太陽能集熱器集熱，并將熱量蓄存至土壤中以提升取熱井周圍土壤的溫度。在太陽能集熱、蓄熱系統(tǒng)設(shè)計時，依據(jù)現(xiàn)場可利用面積及系統(tǒng)陣列與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的實際情況，太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積為218 m2，集熱陣列由8組組成，每組為8臺集熱模塊。太陽能集熱器向正南偏西5°布置，傾斜角度為40°。太陽能集熱系統(tǒng)為開式常壓無儲熱水箱系統(tǒng)，運行采用溫差循環(huán)，溫差設(shè)置為8～45 ℃可調(diào)，其與地源側(cè)采用板式換熱器，換熱面積為20 m2。

圖4　太陽能集熱陣列現(xiàn)場

2.6太陽能-熱泵系統(tǒng)工程示范總體概況

對太陽能-淺層地熱復(fù)合源系統(tǒng)進行相關(guān)試驗研究后，在新疆太陽能科技開發(fā)公司甘泉堡生產(chǎn)研發(fā)基地進行應(yīng)用示范?？偨ㄖ娣e17513 m2，生產(chǎn)用鋼結(jié)構(gòu)廠房面積為6700 m2(1層)，實驗樓面積為3500 m2(3層)，宿舍面積為 5700 m2(6層)，研發(fā)中心面積為1600 m2(2層)。太陽能-淺層地熱復(fù)合源系統(tǒng)采用約200 m2太陽能集熱采光面積，空調(diào)主機為地源熱泵機組(土壤換熱機組)，室內(nèi)空調(diào)制冷、采暖方式部分為地板輻射采暖系統(tǒng)、部分為對流式風機盤管。

甘泉堡太陽能生產(chǎn)研發(fā)基地所有建筑總熱負荷約1200 kW，夏季制冷負荷最大約300 kW。采用兩臺型號規(guī)格相同的雙螺桿壓縮機熱泵機組(型號LSBLGRG-770MD，性能參數(shù)：制熱量620 kW，制熱功率147 kW； 制冷量661 kW，制冷功率118 kW)，滿載總功為236 kW；每臺機組有兩個壓縮機，可分別工作，單個壓縮機56 kW。地源側(cè)循環(huán)泵2臺11 kW、1臺15 kW按需分別開啟。供暖(制冷)循環(huán)泵2臺10 kW，一用一備。

圖5　熱泵機房現(xiàn)場圖

3　示范工程運行效果

2013年7月，太陽能儲熱部分完工，進行太陽能給土壤源儲熱的實驗，由于天氣原因于2013年9月25日開始供暖，2014年3月30日停暖，2014年6月30日開始制冷，2014年8月20日停止制冷。從目前該項目投運效果看，建筑冬季采暖和夏季制冷基本達到了設(shè)計要求，研發(fā)中心室內(nèi)溫度為16～20 ℃，辦公樓室內(nèi)溫度為18～22 ℃，職工宿舍室內(nèi)溫度為14～18 ℃。2013～2014年冬季采暖運行費預(yù)期28萬元，本項目示范工程按實際建筑面積計算，則每平米建筑面積供熱耗電成本為15.9元；按當?shù)責崃緶y算的建筑面積計算(鋼構(gòu)廠房邊沿凈高13 m，最高處達17 m，熱損大，項目接入熱力公司管網(wǎng)供暖，1 m2至少要按3 m2計算)，則整個采暖季的采暖費用應(yīng)為9.07元/m2。熱泵系統(tǒng)全年基本無污染物排放，項目經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均顯著，作為太陽能復(fù)合地源熱泵項目，達到了很好的示范效應(yīng)，引起了較高的社會關(guān)注度，社會效應(yīng)良好。

4　結(jié)論

由于嚴寒干旱地區(qū)土壤溫度較低(如約8 ℃)，處于地源熱泵正常工作溫度范圍(0～25 ℃)的低端，又因嚴寒干旱地區(qū)冬季采暖時間長(如約4300 h)及土壤傳熱能力較低，土壤溫度恢復(fù)能力較差，恢復(fù)時間較長，往往導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的“冬用夏灌”不平衡。太陽能-地源熱泵供暖系統(tǒng)通過復(fù)合利用太陽能和土壤熱能兩種熱能，能夠解決上述問題。系統(tǒng)的能效比COP比地源熱泵高出約50%，提高了地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果。嚴寒干旱地區(qū)太陽能資源良好，且太陽能輻射不受地點、位置和水文地質(zhì)條件約束，太陽能-地源熱泵供暖系統(tǒng)使用地域廣泛，尤其適用于新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、陜西北部、西藏等具有良好太陽能資源及冬季需要采暖的地區(qū)。

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2015-11-17

國家科技支撐項目(2012BAA13B00)

熱孜望·坎吉(1963—)，女，大學本科、研究員，主要從事新能源應(yīng)用技術(shù)方面的研究。794941060@qq.com