土壤源热泵与水蓄能系统的耦合研究

郭杰

摘要：土壤源热泵系统具有环保、节能和能效高的优势，逐渐得到应用推广。本文对土壤源热泵系统和水蓄能系统进行耦合研究，此耦合复合系统既能保证热泵机组的效率，同时还能确保系统运行费用最低，实现经济最大化。

关键词：土壤源热泵;水蓄能;节能

1、引言

土壤源热泵系统可以充分利用地层浅层的地热能量，实现冬季供暖和夏季降温的效果。此热泵系统具有节能效果佳、能效高且环保等优势，越来越多得到应用推广。蓄能系统能够将部分未消耗的能量进行存储，目前水能是最为广泛的蓄能能源，通过土壤源热泵与水蓄能系统进行复合，可以将热泵能量进行存储，热泵机组不仅可以直接向用户提供能量，同时还可向蓄能水槽进行蓄能，蓄能水槽再通过换热器向用户侧供能。复合系统可以充分结合两种系统的优势，实现运行费用最低，保证经济性。

2、土壤源热泵系统的原理、特点及设计要求

2.1 土壤源热泵系统原理

土壤源热泵系统主要利用土壤浅层地热资源，实现冬季供暖、夏季降温的双重目的。利用此系统，可以将夏季室内的热量资源通过热泵系统及地埋管系统转移到土壤中，冬季又可以将土壤中的热量通过热泵系统及地埋管系统转移到室内，从而完成冬季和夏季的热量转移，保证室内舒适度。

2.2 土壤源热泵系统的特点

首先土壤源热泵将浅层地层作为热源，夏季能够储热能、冬季可以储冷能，实质上此能量属于可再生资源。由于地层温度相对稳定，是良好的冷热能源，相对于空气源热泵而言，土壤源热泵更加节能。地埋管的寿命可以达到50-60年，因此具有经济性。但因此土壤源热泵系统占地面积较大，对于一些土地宽容度要求较高，另外前期投入时需要进行土方挖掘，一般预投资费用较高。

2.3 设计要求

一般进行土壤源热泵系统构建之前需要对工程现场进行详细检查、勘测，取得相应的土质资料，包括地层温度、地下水的水位、水质分布等。由于地下地埋管所需面积较大，因此需要较广的土地面积。如果供热建筑物需求冷热负荷的差异较大，一般需要借助其他的补热或排热的措施，以保证热量的平衡。

3、水蓄能系统的原理及特点

水蓄能系统的形式较多，一般有单槽、双槽和多槽水蓄能系统，在水蓄能系统设计时需要根据实际具体情况选择不同的蓄能水池，目前实际生活中常用单水槽自然分层水蓄能系统。对于单水槽自然分层水蓄能系统充分考虑水的物性条件，一般水温在4℃时的密度最高，因此此温度的水较多控制在水槽的下部分，高温水（15℃）储存在水槽的上部分，因上部分和下部分的水温存在一个变化区间，此区间即为温度的斜温层，斜温层的厚度受蓄能系统的水流状态、水槽的换热系数及实际的温差情况影响，斜温层的厚度大小可以衡量蓄能的实际效果，影响蓄能效率。

水蓄能系统的工作方式主要包括以下几种形式：

全负荷蓄能：全负荷蓄能方式即空调所需的全部热能均由蓄能系统提供，全负荷蓄能方式一般适用于间歇运行方式的场所，如体育馆、篮球场等，此方式前期投入较多，后期投入运行费用相对偏低。

部分负荷蓄能：此时蓄能水池与冷热源机组进行联合运行，此方式的初期投入费用相对较低，应用相对广泛。

4、土壤源热泵与水蓄能复合系统的原理及特点

土壤源热泵热水器的工作原理从根本来看就是一个卡诺循环过程，其主要组成部分包括：压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、过滤器和储水箱等组成，冷媒在体系内进行循环，不断从蒸发器处吸收外部热量，然后再冷凝器设备中将热量传递给水槽中的水，将水进行加热。其具体的工作原理如下：

从蒸发器内出来的气态冷媒进入到压缩机内，在压缩机的作用下，气态冷媒被压缩成高温高压的气态冷媒，高温高压气态冷媒进入冷凝器，将其热量传递给冷凝器，将储水箱内的水进行加热，高温高压气态冷媒变成低温高压的液态冷媒，经过过滤器后，然后进入膨胀阀，进行泄压，此时冷媒状态为低温低压，低温低压的冷媒进入蒸发器进行吸热，然后高温低压的冷媒进入压缩机被压缩成高温高压的冷媒，进行下一次的循环过程。在整个过程中，需要提供外部能量的设备是压缩机，压缩机对冷媒再进行做功，土壤源的温度越高，冷媒从蒸发器获取的能量也就越多，对应的压缩机的做功越少，此时热泵的效率最佳。通过此方式，土壤源热泵机组既可以直接给建筑物进行供热或供冷，还能向水蓄能体系进行供热供冷，夏季可以蓄冷和供冷，冬季可以蓄热和供热，过渡季节还可以同时蓄冷供冷和蓄热供热。

此复合系统具有以下特点：通过两者的结合，可以有效降低土壤源热泵机组的装机容量，有效节约前期的投资费用，同时对于土地面积的需求也降低，满足一些土地不充足的环境使用要求。复合系统通过自动化控制与控制策略优化，能够确保土壤源热泵机组处于高负荷或满负荷状态下运行，提升热泵机组的能效比。

5、地源热泵（土壤源热泵）与水蓄能耦合系统的运行策略制定

对于土壤源热泵系统和水蓄能存在几种工况下的转换，此系統相对于空调系统而言，运行控制策略更加复杂，常用的控制运行策略有如下几种：

（1）热泵机组优先运行：保证土壤源热泵机组始终处于高负荷或满负荷下运行，确保热泵的运行能效比。当空调的负荷超过热泵机组负荷时，投入蓄能系统，补充剩余的热量或冷量。此控制方式相对简单，运行方式有效可靠。但此方式对于水蓄能池的使用频率较低，不能有效的实现费用的节约。

（2）蓄能水池系统优先运行：保证蓄能水池系统始终处于高负荷或满负荷下运行，当空调的负荷超过蓄能水池系统负荷时，投入土壤热泵机组系统，补充剩余的热量或冷量。此控制方式既要考虑土壤热泵机组的运行效率，同时还要最大限度地利用水蓄能系统，运行控制相对复杂。

（3）优先控制运行方式：优先控制的前提或目的是控制运行电费费用，根据电价的相关政策和费用，最大限度地利用蓄能水槽的作用，保证用户支付电费的费用最低。此方式不能充分确保土壤热源的运行效率。例如供暖期期间，上午7点至8点，为了快速提升室内的温度，使用市政供暖热量供热;8点至18点期间，优先使用蓄能水池系统进行供暖，如果此时的热量不能满足要求，再依次投入土壤源热泵系统、市政供暖系统。18点至23点期间，由于电价相对较高，此时可以投入市政供暖。23点至7点期间，按调研得到的供暖期夜间蓄能工况执行。

6、结语

土壤源热泵与水蓄能复合空调系统。实现了土壤源热泵和水蓄能技术的良好结合。不仅具有明显的节能和节费的潜力。而且在一定程度上解决了环境污染的问题。

参考文献：

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