复合补热地源热泵系统设计方法研究

摘要

地源热泵在我国北方地区广泛应用,但普遍存在取热量大于排热量的土壤热不平衡问题,导致土壤温度下降,严重影响系统的长期运行效果.为解决该问题,笔者所在课题组开发了热管/空气源热泵复合补热机组(简称复合补热机组),并提出了一种新型的复合补热地源热泵系统,可充分利用非供暖季室外空气中的热量向土壤补热.该系统可有效维持土壤热平衡和土壤温度稳定,具有较高的节能性和经济性,作为一种保障北方地区地源热泵长期运行的新方案具有极大的应用潜力.复合补热地源热泵系统主要包括地源热泵系统设计和复合补热机组选型两大部分。各部分的设计选型和匹配对系统的供热可靠性、土壤的热平衡情况、土壤温度的稳定性以及热泵机组的性能水平都有着较大的影响。本文旨在构建一套准确度较高的复合补热地源热泵系统的设计方法，并以一个工程为例，展示了具体的设计过程。由于土壤温度的变化，各部分之间存在耦合，因此，设计分为估算和调试计算两个阶段。1)按照工程经验依次估算完成各部分的初步设计，获得系统化调试计算的初值。2)以TRNSYS软件作为平台，搭建系统模型，通过调试计算获得满足规范要求的土壤温度及埋管出口水温，最终获得系统各部分的准确设计。最后，本文以一个6 000m2的铁路站房为例进行了示范设计。采用所提设计方法，复合补热机组的最佳容量为125 kW，土壤热不平衡率低至2%，地埋管出口水温全年处于4~22℃，满足规范要求。复合补热地源热泵系统化设计方法准确、可靠，对于方便设计师、工程师正确掌握该新型系统的设计方法、合理推广该系统具有一定的指导意义。