安徽科恩新能源有限公司 合肥市 230001
摘要：在部分寒冷地区之中，地缘热泵系统在应用过程中，容易出现冷热失衡现象，此时，工作人员需要做好空气源热泵辅热的复合地缘热泵系统应用研究，控制好地源热泵系统的取热量。本文根据以往工作经验，对实际系统形式进行总结，并从单一地源热泵系统累计排热及取热量分析、基于空气源热泵辅热的排热和取热量分析、基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统能效分析三方面，论述了具体结果与分析内容。
关键词：空气源热泵；复合地源热泵；取热量分析
地源热泵属于是一种能够利用可再生能源的装置，实现供暖和制冷，现阶段，已经在很多领域之中得到了应用。我国很多区域冬季寒冷，实际供暖时间也要长于夏季制冷时间，这也导致供暖负荷较高。因此，在实际地源热泵系统在运行过程中，由于运行时间较长，取热量也会超过排热量，进而引发系统失衡问题，出现“冷堆积”问题，降低了地源热泵系统性能。为了将该种问题解决，工作人员可以在床柜地源热泵基础上增设辅助热源，维护系统运行的稳定性。
1.系统形式
1.1系统原理
基于空气源热泵辅热复合地源热泵系统情况如图1所示，其中涉及到的子系统内容为地源热泵子系统以及空气源热泵子系统。地源热泵子系统在组成上，主要包括地源热泵机组和地埋侧循环水泵等等。反观空气源热泵子系统，主要包括空气源热泵机组、空气源循环泵等。
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图 1 空气源热泵辅热的地源热泵系统
1.2系统运行策略
总的来说，基于空气源热泵辅热复合地源热泵运行策略主要涉及到以下几方面内容：第一，夏季制冷系统运行策略。实际夏季制冷过程中，工作人员可以选择开启地源热泵机组的部分阀门，即V1、V5等，并将其他阀门关闭，此时，将地埋侧循环水泵和空调侧循环水泵开启，为后续地源热泵机组向建筑供暖工作创造更多有利条件；第二，在过渡季补热系统运行过程中，主要集中在春秋两季，如果工作人员在此时开启空气源热泵机组，阀门V13和V14将处于开启状态，将其他阀门关闭，此时，空气源循环水泵也会处于开启状态，确保空气源热泵机组能够对地埋管换热系统执行有效的补热操作。从该工程运行过程中也能够看出，冬季和夏季之间冷热负荷差距较大，空气源热泵作为一种辅热热源，不但可以承受部分建筑冬季负荷，还能实现季节性蓄热操作，将地源热泵系统冷热不平衡问题彻底解决，同时还能将地埋管换热器划分成A、B、C三个区域，通过分区运行，能够更好的避免地源热泵系统出现冷热不平衡问题。
2.结果与讨论
从该项目选择的2台涡旋式地源热泵机组中能够看出，具体参数如表1所示，实际地源热泵系统累计排、取热量计算公式如下：
表 1 地源热泵机组性能参数表
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实际地源热泵系统累计排热量计算公式如下：
Q=全年累计冷负荷×（1+1/EER）
地源热泵系统累积取热量为：
Q=全年累计热负荷×（1-1/COP）
2.1单一地源热泵系统累计排热及取热量分析
在本项目设计工作执行时，为了方便研究，统一使用了单一地源热泵系统，在冬季和夏季同样保持不变，以此来满足建筑物对冷热负荷的需求。从最终结果统计中能够看出，地源热泵系统实际取热量数值为317875kw·h，累计排热量为57354kw·h。相比之下地源热泵系统累计取热量要比累计排热量高出很多，二者之间的最大差距为5.5倍，当冷热不平衡时，最高比例能够达到81.9%。如果地源热泵系统处于长期运行状态之下，容易导致土壤冷堆积问题，温度逐年下降，实际循环介质温度也会降低，此时，热泵机组COP数值同样受到影响，最终导致系统无法处于正常运行状态。
2.2基于空气源热泵辅热的排热和取热量分析
在该项目运行时，主要应用到2台涡旋式空气源人泵机组，这也是辅热热源的主要来源，此时，人们可以将制热量控制在69kw以内，实际制热功率为19.1kw，如果室温不同，空气源热泵制热能力也会出现明显变化。除此之外，由于室外温度不同，实际建筑物逐时热负荷以及空气源热泵制热能力也存在明显差异，经过具体计算和研究之后，工作人员得出了以下结论：如果室外温度比-2.4℃高，此时，空气源热泵机组制热量能够与具体建筑热负荷要求保持同步，如果室外温度低于-2.4℃，工作人员应通过地源热泵机组开启，让建筑热负荷满足具体需求。具体计算结果显示，该项目在整个供暖季之中，空气源热泵机组总体运行时间达到了1696h，能够承担建筑累计热负荷为34.36%，其中，有65.64的建筑累计热负荷由地源热泵承担，具体情况如图2所示。
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图 2 复合地源热泵系统中建筑热负荷分布图
另外，该地源热泵系统累计取热量达到了208660kw·h，排热量为57354kw·h，从这里也可以看出，空气源热泵机组能够被当做是辅热热源，避免源热泵系统冷热不平衡情况出现。通过进一步分析，如果将空气源热泵作为辅热热源，虽然能够在冬季承担一部分热负荷，降低地源热泵系统取热量，但实际地源热泵系统中涉及到的拍取热量差距依旧保持在较高状态，冷热不平衡现象极容易出现。因此，实际空气源热泵也可以被当做辅助热源，在过度季之中实现对土壤的全面蓄热操作，经计算之后，实际气源热泵运行时间为36d×24h，能够确保土壤蓄热工作的合理开展，此时，地源热泵系统冷热不平衡现象能够降低到15%以下。
2.3基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统能效分析
从上述研究中能够看出，复合地源热泵系统运行策略比较特殊，本文的研究重点集中在复合地源热泵系统供暖季能效比较和分析上，如果不考虑地源热泵系统供暖能效，实际计算过程也将变得十分简单。如果考虑过度季空气源热泵系统的能耗情况，复合地源热泵系统供暖功综合能效比计算也会变得极为复杂。经过具体计算过程之后，该项目复合地源热泵系统供暖效能比值为3.1，综合能效比为2.3。在与市政热力供暖对比中可以得到，该项目供暖季累计供热量为325380.4kw·h。与此同时，研究人员还要对热电联产集中供热效率进行考虑，最终得到的结果为85%，反观市政热力供热量，具体数值为382800.5kw·h，如果将该热量转化成标煤，实际消耗标煤的数量为46t。除此之外，该项目在研究过程中，如果选择应用空气源热泵补热复合地源热泵系统供暖，实际累计耗电量会达到140577.5kw·h，并将具体耗电量折算成标煤，实际数值为17.3t。从这里也能够看出，为了让整个地源热泵系统冷热处于不平衡状态，工作人员应做到过渡季气源热泵补热操作，使其所产生的具体能耗让供热能效比下降，但如果是与市政热力供暖相比，依旧可以呈现出良好的节能效果。因此，为了确保地源热泵冷热平衡，人们可以借助于空气源热泵的应用，在过渡季之中帮助土壤进行蓄热，具体蓄热时间应根据具体情况来确定，确保整个系统处于稳定运行状态。
3.地埋管及闭式地表水换热器系统
为了方便研究，本文以2台地源热泵冬季取热工况为例，对最佳的地埋管换热器数量进行确认。从岩土热效应报告中能够看出，单U埋管冬季取热数值大约为43W/m，夏季放热数量为55W/m，在土壤源热埋管换热器设计上，主要以垂直埋管设计为主。一般情况下，土壤源热部分室外埋管面积能够达到15000平方米，地源能源井数量为590口，具体钻孔深度能够达到80m。另外，这2台地源热泵冬季放热不够部分，主要是由地表水换热系统进行补充，而且实际浅层地表水换热部分能够有效利用水体面积为5000㎡，有效深度为3.5m，实际湖水换热单元数量为320个，湖水换热盘管长度为24000米。相关工作人员可以根据实际工程项目特点，除了冷水机组应用时需要卡其冷却塔外，并不需要再继续配置热平衡用闭式冷却塔，最终实现全年热平衡。
4.结论
综上所述，从实际空气源热泵辅助以及符合地源热泵系统研究过程中能够看出，实际空气源热泵为辅助热源，能够有效承担部分热负荷，并做到季节性蓄热操作。相比于单一地源热泵系统，实际空气源热泵辅热符合地源热泵系统在运行时，能够确保空气源热泵机组运行的全面优化，避免冷热不平衡问题出现。
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