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地源热泵是一种供热供冷技术,也是一种供热供冷系统地源热泵的设计难点和重点在于地下换热器系统的设计

在很多文献中都有如下类似的结论:当地埋管换热器系统年累积吸热量等于年累积释热量时,地埋管换热器系统能够保障地源热泵系统长期稳定运行我国幅员辽阔,气候条件变化大,非复合式地源热泵系统中,地埋管地源热泵系统夏季释热量与冬季取热量恰巧平衡的情况只是一种可能,更多的还是负荷不平衡的情

在设计中发现,负荷不平衡的工况下,每个钻孔负担相同负荷的情况时,地埋管换热器运行多年后出水温度的恶化程度随着井群规模的增大而增大

文献《负荷平衡度对地源热泵系统的影响[J].暖通空调,2014,44(2):51-54,72》中,在大量计算数据的基础上,探讨了冬夏负荷不平衡条件下井群规模与地源热泵系统长期稳定运行的关系,

研究得出,在进行地源热泵系统技术方案的比选时,有如下设计原则供参考:

复合式地源热泵系统的研究

1)在项目规模很小时,如别墅等小型地源热泵项目,即使负荷平衡度不够理想,也可以通过适当增加钻孔数量的方法,保证地源热泵系统的长期稳定运行,不一定必须增设辅助冷热源

2)在项目规模较大时,如办公楼和商业项目,务必要有可靠的技术措施,保证负荷平衡度达到一个较高的水平,以保证地源热泵系统的长期稳定运行常见的方法是在大型项目中,使用复合式能源系统,例如在南方地区,夏季使用地源热泵联合冷却塔供冷,冬季使用地源热泵系统独立供暖,以实现地埋管换热器系统的冬夏热量平衡

3)若项目规模不太大亦不太小时,则应经详细的技术、经济分析对比后,确定使用何种方案。


4)在有可靠措施保证负荷平衡度达到一个较高水平(95%),可以选取较大的单位井深峰值释热量,以减小竖直埋管的总长度,进而节省初投资;反之,则应降低单位井深峰值释热量期望值,以提高系统对负荷平衡度的适应性,毕竟众多不确定因素,如气候波动、人员使用率的变化、建筑围护结构施工质量、热泵机组性能、输配系统综合性能等都会直接影响系统的负荷平衡度。

另外,地埋孔之间的间距越大,排布越分散,井群排列的长宽比越大,都会对地下换热器系统温度场构成有利的影响,对冷热负荷的平衡度,也就有越强的适应性。

项目需求是客观的,地源热泵系统是供能端,原则上当然不应该由热用户来适应供能端,而是应该让能源站满足用户使用需求。所以,当项目规模较大,负荷平衡度难以准确预估时,对系统进行必要的复合式构建是可靠合理的,例如有预期排热量会大于吸热量时,则应配以必要比例的冷却塔,进行夏季的额外降温;反之,当预期排热量会小于吸热量时,则应辅以太阳能或燃气锅炉等调峰热源,以保证系统能够长期稳定的供能。

事实上在项目设计时,需要根据项目实际情况,将相关设计参数输入专业软件(EHPD,EED),进行地埋管换热模拟计算。

根据软件计算结果,得到地埋管水温;

校核地埋管换热器是否满足要求,如果不满足,对地埋管换热器结构参数等进行调整,重新进行计算,直至满足设计要求为止;

甚至要进行压力测试,即对项目遇到的各种负荷分布情况进行模拟分析,此时既可以采用单因素敏感性分析,将各种不利情况罗列;以保证系统在90%(根据项目级别不同,概率范围可调)以上的概率下可持续稳定运行25年。

最后根据模拟计算结果,进行系统设计.

图 1 EHPD计算软件输入参数示意图
图2 地下换热器系统各年冬、夏最不利进出水平均温度
图3 第n年地下换热器各月水温