被動式冷卻塔補熱系統在貴州夏涼冬冷地區的運用與探討

羅登云

摘要：隨著國家對淺層地熱能開發利用越來越重視，地埋管式地源熱泵在各個地區均得到了廣泛的運用，但系統在開發過程中尤其是在夏涼冬冷地區的運用中存在冷堆積問題，而被動式冷卻塔補熱系統，通過空氣與水的熱濕交換使水溫升高，并將熱量帶回地下，以較小的能量消耗實現向地下土壤補熱的目的。值得大力推廣。

關鍵詞：地源熱泵，冷堆積，冷卻塔、補熱系統。

前言：就解決地源熱泵系統冷堆積問題。目前行業內的方法有多種，如采用燃氣鍋爐、風冷熱泵，太陽能、冷卻塔與系統進行復合，對地埋系統進行補熱。其中冷卻塔被動式補熱系統因所需要的能耗少，總體造價較低。綜合性價比高，因此本項目選擇此系統進行補熱設計。

項目基本情況介紹

項目位于貴州省西部城市六盤水市，項目類型為居民住宅小區，包括24棟住宅樓、1棟社區服務中心及1棟幼兒園，共計26棟建筑，總建筑面積67412.74平方米，暖通面積為50049平方米;制熱總負荷為4950KW，制冷總負荷為4734KW;夏季室外干球溫度9.3℃，冬季室外干球溫度1.4℃;項目采用土壤源熱泵系統技術為建筑物提供熱源。根據前期熱物性測試計劃出地下土壤初始溫度為14.5℃。

由于項目樓宇較多，整個項目分設系統A和系統B兩個系統，共設置地埋換熱井840口，分布于項目的綠化帶地下，換熱井直徑150mm，井深120-130m，換熱井內采用管徑為De32的PE雙U型地源熱泵專用管材。地埋井通過所在區域的二級集水器匯集，再輸送至機房內的一級集水器，系統A和系統B分別通過3臺臥式離心水泵（兩用一備）形成閉合循環回路，地源熱泵機房設置在園區內的專門地下室機房，系統A和B分別設置3臺螺桿式熱泵機組，共計6臺，單臺額定制冷量、制熱量分別為1287.3kW和1339.8kW。室內系統采用一次泵變流量形式，循環水泵采用變頻臥式離心水泵。

項目取熱及排熱情況分析

在考慮全負荷運轉情況下，根據當地地理及氣候情況，項目冬季供暖考慮120天，住宅樓每日供暖時間段為下午17：00—次日上午9：00，共計供暖時長為16小時，夏季制冷60天，每日供冷時間段為上午8：00—下午18：00，共計10小時，通過使用GLD地源熱泵計算軟件進行模擬，系統冬季年總取熱量9504000KWH，系統年總排熱量2840400KWH，由此推算可得系統每年需向地下取熱6663600KWH。根據熱平衡原理，若地下熱量得不到有效補充，勢必會造成埋管區域地下溫度大幅降低，進而影響系統的運行能效，嚴重的將導致系統癱瘓。

被動式冷卻塔補熱系統的設計

為保證系統的正常運行，同時節約項目投資成本，本項目在設計時，進行了充分的比選，最終考慮了經濟合理的冷卻塔設備作為補熱系統，利用冷卻塔水循環進行系統的補熱，從而保證系統供熱的穩定性。

冷卻塔作為傳統散熱設備，通常項目是將高溫熱水中的熱量散發到空氣中，運行時循環水溫要比空氣濕球溫度低2℃—3℃，結合地區夏季氣候情況，冷卻塔運行時氣溫≥20℃，地埋管供水溫度為14.5℃，結合當地室外氣溫的變化考慮3℃的溫差。冷卻塔地埋側的進出水溫度為14.5℃/17.5℃。

按照3℃溫差計算，若要滿足補充6663600KWH熱量，冷卻塔需要選用流量在1000—1200m3/h，才能滿足補熱需求，因此項目選擇了4臺流量300m3/h冷卻塔，安裝在住宅樓頂，參數及設計圖紙詳見下圖。

補熱系統效果測試

項目于2019年6月竣工，同年冬季投入使用，使用時長為138天，冬季制熱運行完后，根據本系統安裝的監測系統反饋數據，地下溫度由系統建成時的初始溫度14.5℃降至冬季制熱完成后的14.0℃。在未開機制冷前，對補熱系統進行了測試。首先調節相應的閥門開啟與關閉，開啟地源側水泵1臺，開啟4臺補熱用冷卻塔，冷卻塔自動運行，測試計劃累計運行240h，耗電量（5*4+80）*240=2400KWH，累計補熱63408KWH，測試結束后，通過監測系統數據反饋，埋管區域地溫恢復到14.2℃。證明了補熱的效果十分顯著。

結論

本項目通過使用冷卻塔被動式補熱系統，保障了地源熱泵系統后期的正常穩定運行，對延長系統的使用壽命起到了至關重要的作用。其次解決了系統的冷堆積問題，對于貴州西部六盤水、畢節等夏涼冬冷地區地源熱泵的運用起到了十分重要的保障。解決了本地區地源熱泵發展的技術難題，同時也證明了被動式冷卻塔補熱系統的現實可行性，為今后類似項目的推廣運用提供了切實依據。

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花莉，范蕊等，復合式地源熱泵系統的回顧與發展，制冷與空調，四川，2011，25（5）：518-525.

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