地埋管地源热泵系统热量流向图示及平衡关系分析

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地埋管地源热泵系统的相关热量计算一直是考试的重点、热点。GB 50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》 第4.3.3 的条文说明，有关于地埋管地源热泵系统最大释热量和最大吸热量计算的描述。但主要是针对地埋管循环水系统热量收支平衡，没有整个地源热泵系统的热量平衡关系。因此本文拟从整体为研究对象，分夏季和冬季两种工况，分别对系统中各种热量得失进行分析，以循环介质为研究对象，建立热量平衡关系。根据GB/T19409-2013《水（地）源热泵机组》，对于地埋管热泵机组，EER表示制冷工况的性能系数， COP表示制热工况的性能系数。 1. 夏季工况分析

图1是夏季工况，各种热量在系统中的流向。箭头指向流程线，表示系统循环介质吸热，箭头离开流程线，表示系统循环介质放热。从图1可以看出，夏季热量主要是从空调系统流向土壤。对于土壤而言，属于蓄热过程，对于热泵系统而言，属于放热过程。

冷冻水泵释热Qy2压缩机W冷却水泵释热Qd1空调系统冷负荷Qy1蒸发器Q1冷凝器Q2Q3土壤冷冻水输送过程得热Qy3冷却水输送过程散热Qd2图1 地埋管地源热泵系统夏季热量流向示意图

整个系统分为三个相互联系又相对独立的子系统。左边是冷冻水循环系统，主要功能是从空调系统吸收热量。右边是冷却水循环系统（地埋管循环水系统），它主要功能把热泵机组冷凝器的热量传递给土壤。中间是制冷剂系统，其功能是把低温冷冻水循环系统的热量转移到高温冷却水循环系统。

对于冷冻水循环系统，热量满足公式（1）的关系：

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（1） 式中：Q1 —热泵机组夏季工况的制冷负荷。

对于制冷循环系统，热量满足公式（2）和（3）的关系：

（2） （3） 式中：Q2 —热泵机组夏季制冷工况，冷凝器的负荷。

对于冷却水循环系统，热量满足公式（4）的关系：

（4） 式中：Q3 —热泵系统夏季释热量或夏季土壤的得热量。

由公式（1）~（4）联立，得

（5）

热泵系统夏季释热量（夏季土壤的得热量）=（空调系统冷负荷Qy1 + 冷冻水泵释热量Qy2 + 冷冻水输送过程得热量Qy3） + 冷却水泵释热量Qd1 - 冷却水输送过程散热量Qd2。

【真题2011-3-22】某建筑采用土壤源热泵冷热水机组作为空调冷、热源。在夏季向建筑供冷时，空调系统各末端设备的综合冷负荷合计为1000kW，热泵制冷工况下的性能系数为COP=5。空调冷水循环泵的轴功率为50kW，空调冷水管道系统的冷损失为50 kW。求上述工况条件下，热泵向土壤的总释放热量Q接近下列哪一项？

A．1100kW B．1200 kW C．1300 kW D．1320kW

【解析】参照图1，本题是求解Q3。分析已知条件，Qy1=1000 kW。空调冷水循环泵的轴功率，即Qy2=50kW 。空调冷水管道系统的冷损失，即冷冻水输送过程得热，有Qy3=50 kW。 对于夏季工况，题目中的COP就是公式（5）中的EER，有 EER=5.0。题目中没有提到的其余各项热量，都是0。因此由公式（5），

答案为选项D

2. 冬季工况分析

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图2是冬季工况，热量在地源热泵系统中的流向。可以看出，热量主要是从 土壤流向用户侧的空调系统。对于土壤而言，属于放热过程。对于热泵系统而言，属于取热过程。从左到右，三个子系统分别是空调热水循环系统、制冷剂循环系统和地埋管循环水系统。

热水泵释热Qr2压缩机W地埋管循环水泵释热Qd1冷凝器Qr1空调系统热负荷Q1蒸发器Q2Q3土壤热水输送热损失Qr3地埋管循环水输送热损失Qd2

图2 地埋管地源热泵系统冬季热量流向示意图

对于空调热水循环系统，热量平衡满足方程式（6）：

（6） 式中：Q1 —热泵机组冬季工况的制热负荷。

对于制冷剂循环系统，热量平衡满足公式（7）和（8）的形式：

（7） （8） 式中：Q2 —热泵机组冬季工况，蒸发器的负荷。

对于地埋管循环水系统，热量平衡如公式（9）所示：

（9） 式中：Q3 —热泵系统冬季吸热量或冬季土壤的释热量。

公式（6）~（9）联立，得

（10）

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热泵系统冬季吸热量（土壤冬季的释热量）=（空调系统热负荷Qr1 + 热水输送热损失Qr3 – 热水循环泵释热量Qr2 ） + 地埋管循环水输送热损失Qd2 – 地埋管循环水泵释热量Qd1 。

【真题2016-4-6】已知额定工况下，埋地换热器吸收的热量为5000kW，热泵机组制热性能系数COP=5.0，地源侧循环水泵总轴功率150kW，如不计地上管路的热损失，且全部制热量经冷凝器供出，热泵机组制热量最接近下列哪一项？

A．6437.5kW B．6400 kW C．6250 kW D．6180kW

【解析】由图2，本题是求解Q1。已知条件：Q3=5000kW。地源侧循环水泵即本文地埋管循环水泵， Qd1=150 kW。COP=5.0。其余各项交换热量都为0。

由公式（8） ，公式（9）

答案为选项A。

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