土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題淺析

馬文涓 熊孟

【摘要】地下熱平衡問題在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過程中必須受到足夠重視，一個(gè)不考慮熱平衡方案的設(shè)計(jì)是一個(gè)不完善甚至是冒險(xiǎn)的設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于目前應(yīng)用較多的大面積密集布置管群陣列式土壤源熱泵系統(tǒng)，長(zhǎng)期運(yùn)行后不僅會(huì)出現(xiàn)效率低下，而且還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成難以預(yù)測(cè)的影響。因此，土壤源熱泵設(shè)計(jì)前必須在正確認(rèn)識(shí)土壤源熱泵工作原理實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)熱平衡問題做好方案設(shè)計(jì)與環(huán)境影響評(píng)價(jià)，通過前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)與后期規(guī)范化的運(yùn)行管理來緩解與解決。

【關(guān)鍵詞】土壤源熱泵 熱平衡 復(fù)合熱源 熱泵

1前言

土壤源熱泵利用地下土壤作為吸熱與排熱的場(chǎng)所，夏季將室內(nèi)余熱取出排至地下儲(chǔ)存以備冬用，冬季從地下取熱供給房間后儲(chǔ)存冷量以備夏用。因此，更確切地說，土壤源熱泵是一種以地下土壤作為蓄能體的地下蓄能及再利用系統(tǒng)，而并非單純的地?zé)崮芾眉夹g(shù)，這是目前業(yè)內(nèi)普遍存在的對(duì)土壤源熱泵認(rèn)識(shí)上的一個(gè)誤區(qū)。要保持土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行，就必須保證全年內(nèi)冬夏季土壤取放熱量的平衡，從而可實(shí)現(xiàn)土壤能量在以年為周期時(shí)的自我恢復(fù)。

2土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問題原因分析

2.1冷熱負(fù)荷不平衡

我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)氣候差異較大，很多地區(qū)建筑物全年冷、熱負(fù)荷差異很大，導(dǎo)致土壤源熱泵系統(tǒng)冬季從土壤中提取的熱量和夏季釋放到土壤中的熱量難以平衡，因此，土壤源熱泵在應(yīng)用時(shí)若不采取措施，而是直接根據(jù)需求量取熱和放熱用以滿足冬夏負(fù)荷需求，必然會(huì)導(dǎo)致土壤溫度偏離其原始溫度，即土壤熱不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

在北方地區(qū)，冬季熱負(fù)荷大于夏季冷負(fù)荷，熱泵從土壤中提取的熱量大于夏季向土壤中釋放的熱量，導(dǎo)致土壤溫度降低，機(jī)組蒸發(fā)溫度降低，系統(tǒng)耗功量增加，供熱量減少，熱泵的循環(huán)性能系數(shù)COP降低；在南方地區(qū)，夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，熱泵向土壤中釋放的熱量大于冬季從土壤中提取的熱量，導(dǎo)致土壤溫度升高，機(jī)組冷凝溫度升高，系統(tǒng)耗功量增加，制冷量減少，熱泵的能效比EER降低。因此，土壤源熱泵適用于冬夏冷熱負(fù)荷相差不大的地區(qū)，根據(jù)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算，一般情況下，建議冬夏向土壤的吸排熱量相差不大于20%為好。

2.2設(shè)計(jì)不合理

國(guó)外在應(yīng)用土壤源熱泵時(shí)，多是在單體別墅的設(shè)計(jì)中，地埋管敷設(shè)面積不大，對(duì)于這種少量埋管來說，合理的管間距完全可以滿足依靠土壤自身的熱擴(kuò)散使得多余的冷熱量得以平衡，但對(duì)于我國(guó)目前土壤源熱泵大多應(yīng)用在較大面積公共建筑中，地埋管密集布置，大面積管群長(zhǎng)期運(yùn)行，管群中心處的熱量難以傳遞出去，各埋管間必然產(chǎn)生熱干擾，使得一個(gè)運(yùn)行周期中從土壤中提取和釋放熱量的不平衡，在運(yùn)行間歇期間土壤溫度無法恢復(fù)原始值，土壤溫度逐年持續(xù)上升或下降，系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。

3土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問題解決方法

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期的準(zhǔn)備計(jì)算

在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)前進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，了解冬夏冷熱負(fù)荷范圍及分布，并對(duì)地下埋管區(qū)的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和模擬分析，掌握土壤熱物性，掌握在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下土壤的溫度波動(dòng)范圍和運(yùn)行間歇期間土壤溫度的恢復(fù)情況，以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為根據(jù)對(duì)地埋管的深度、數(shù)量以及埋管間距進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，確保地埋管換熱器高效運(yùn)行。充足的設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作是優(yōu)秀合理的設(shè)計(jì)的前提，只有對(duì)設(shè)計(jì)工況有足夠認(rèn)識(shí)才能使設(shè)計(jì)方案更加合理可行。

3.2地埋管分區(qū)運(yùn)行

在進(jìn)行埋管設(shè)計(jì)時(shí)，可將埋管劃分為多個(gè)回路，輪流使用，在不同的負(fù)荷狀態(tài)下分區(qū)運(yùn)行，使得各環(huán)路交替運(yùn)行，土壤獲得更加充分的恢復(fù)時(shí)間，增強(qiáng)換熱效果。當(dāng)系統(tǒng)所需負(fù)荷較小時(shí)，可優(yōu)先考慮使用外圍環(huán)路，以加速周邊埋管土壤聚集冷熱量的擴(kuò)散，避免中心局部過熱[2]。同時(shí)在埋管區(qū)土壤中心位置設(shè)置溫度傳感器，及時(shí)監(jiān)控土壤溫度的變化，當(dāng)土壤溫升超過規(guī)定數(shù)值后，開啟輔助調(diào)峰設(shè)備，避免熱堆積。條件合適的地埋管地源熱泵機(jī)房還可以設(shè)置自動(dòng)控制和管理系統(tǒng)，以確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)處于較好的控制和調(diào)節(jié)狀態(tài)。

3.3設(shè)置輔助冷熱源

對(duì)于冬夏季冷熱負(fù)荷相差較大的地區(qū)，最直接的解決冷熱不平衡的辦法是設(shè)置輔助冷熱源系統(tǒng)，以此來減小土壤的熱不平衡率。對(duì)于北方地區(qū)，夏季冷負(fù)荷小于冬季熱負(fù)荷，地埋管換熱器的長(zhǎng)度按照夏季負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，冬季運(yùn)行時(shí)則輔以鍋爐或太陽能集熱器作為補(bǔ)充熱源。對(duì)于南方地區(qū)，冬季熱負(fù)荷小于夏季冷負(fù)荷，地埋管換熱器的長(zhǎng)度按照冬季負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，夏季運(yùn)行時(shí)則輔以冷卻塔或熱回收技術(shù)來減少系統(tǒng)對(duì)土壤的排熱量，平衡冬夏對(duì)土壤的熱量輸出。在對(duì)輔助熱源進(jìn)行控制時(shí)應(yīng)以全年動(dòng)態(tài)模擬作為基礎(chǔ)，確定輔助設(shè)備的開啟條件和運(yùn)行時(shí)間。

3.4采用復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)

鑒于單一熱源熱泵應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的諸多問題，熱泵的研究方向開始向可以將能源綜合利用的復(fù)合熱源熱泵發(fā)展。不同形式的熱泵聯(lián)合應(yīng)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，解決了單一熱源熱泵在應(yīng)用過程中存在的問題，同時(shí)也在很大程度上擴(kuò)大了熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍。以土壤源熱泵為主的復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)的形式主要有以下兩種：

1）土壤源-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)

2）土壤源-太陽能復(fù)合熱泵系統(tǒng)

以土壤源-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)為例，北方地區(qū)，當(dāng)冬季室外空氣溫度較低時(shí)，土壤源側(cè)換熱器運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)從土壤中提取的熱量達(dá)到夏季回灌量時(shí)，系統(tǒng)切換至空氣源側(cè)換熱器運(yùn)行，運(yùn)行模式的具體控制策略需要前期模擬計(jì)算來確定，進(jìn)而保證冬夏季系統(tǒng)從土壤中取放熱的平衡。

土壤源-太陽能復(fù)合熱泵系統(tǒng)可以全年綜合利用太陽能，通過太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)結(jié)合，一方面降低太陽集熱系統(tǒng)在冬季的工作溫度，提高太陽能集熱器的工作效率；另一方面通過太陽能的補(bǔ)熱，可以有效解決在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵面臨的冷熱不均的問題，擴(kuò)大和改善了土壤源熱泵的使用范圍。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于各種復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要集中在復(fù)合熱源熱泵的系統(tǒng)形式、循環(huán)性能、運(yùn)行模式和經(jīng)濟(jì)性分析。通過對(duì)復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)不同的系統(tǒng)形式和工作模式的研究，得到更為合理的系統(tǒng)運(yùn)行模式，使得熱泵系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行季節(jié)都保持較高的運(yùn)行效率及運(yùn)行穩(wěn)定性，復(fù)合熱源熱泵的應(yīng)用可以大大減小埋地管的長(zhǎng)度，系統(tǒng)具有較好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，擁有廣闊的發(fā)展前景。

目前，對(duì)于復(fù)合熱泵系統(tǒng)的研究還沒有形成完整、準(zhǔn)確的理論體系和可靠的支持?jǐn)?shù)據(jù)，所以復(fù)合熱源熱泵的推廣還有很長(zhǎng)的一段路要走，還需要更多的研究成果來提供其推廣應(yīng)用的理論依據(jù)。但是我們不難看出，復(fù)合熱源熱泵的優(yōu)勢(shì)，它不僅克服了單一熱源熱泵存在的諸多問題，而且具有更明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，利用兩種甚至多種的可再生能源不僅符合當(dāng)前能源利用的發(fā)展方向，其靈活的系統(tǒng)組成方式更是對(duì)傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的突破和創(chuàng)新。

總結(jié)

近年來，土壤源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)快速發(fā)展，地下熱平衡問題在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過程中必須受到足夠重視，尤其對(duì)于我國(guó)目前應(yīng)用較多的大面積密集布置管群陣列式土壤源熱泵系統(tǒng)，長(zhǎng)期運(yùn)行后必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低下等問題，因此，土壤源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)前必須對(duì)熱平衡問題做好規(guī)劃和設(shè)計(jì)，通過前期對(duì)項(xiàng)目的全方位考慮后提出合理的系統(tǒng)運(yùn)行策略，同時(shí)設(shè)置有效的土壤溫度檢測(cè)系統(tǒng)和相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

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[3] 楊衛(wèi)波， 陳振乾，劉光遠(yuǎn).土壤源熱泵系統(tǒng)地下熱平衡問題分析[C]// 中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì).天津，2009.