地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡

魏佳

摘 要：地埋管事地源熱泵系統(tǒng)的核心。文章首先闡述了地源熱泵系統(tǒng)的定義及分類，然后探討了地埋管地源熱泵的工作原理，最后對某地埋管地源熱泵土壤溫度變化實測進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：地埋管；地源熱泵系統(tǒng)；熱平衡

近年來，地源熱泵系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大，在其發(fā)展的過程中存在一些問題和不足需要改進(jìn)，在建設(shè)社會主義和諧社會的新時期，加強地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡的探索，對地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義。

1 地埋管地源熱泵的工作原理

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以淺層土壤為熱源，通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低品位向高品位熱能轉(zhuǎn)移的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。冬季供暖時，通過熱泵把大地中的熱量升高后對建筑物供暖，同時使大地的溫度降低，即蓄存冷量，以備夏季使用；夏季制冷時，通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以備冬季使用。該系統(tǒng)一般包括三個環(huán)路：地埋管換熱器環(huán)路、熱泵機組環(huán)路及空調(diào)末端裝置環(huán)路。

2 土壤熱平衡的特征

2.1 土壤熱平衡的時間尺度。土壤熱失衡問題與地埋管地源熱泵的運行過程緊密相關(guān)，但是它所針對的并不是系統(tǒng)某個夏季運行中的土壤溫升或冬季運行中的土壤溫降，而是運行一個周期年之后土壤溫度與初始土壤溫度的變化，以及連續(xù)運行多年后土壤熱堆積對系統(tǒng)運行特性的影響。因此，分析土壤熱失衡問題的時間尺度應(yīng)該是系統(tǒng)壽命周期內(nèi)以年為單位的離散點。1年的土壤累計溫升可能只是1℃的量級，對熱泵機組和系統(tǒng)效率影響不大，但是如果處理不當(dāng)，5年或10年后的溫升就會較高，造成系統(tǒng)運行情況明顯惡化。

2.2 土壤熱失衡問題的影響因素?？照{(diào)季節(jié)地埋管換熱器內(nèi)的逐時負(fù)荷輸入造成土壤溫度波向遠(yuǎn)離地埋管換熱器壁面方向傳遞，但對于遠(yuǎn)離其壁面不同距離處有不同的峰值衰減和時間延遲，此時，土壤是熱泵的熱源或熱匯，熱量是通過地埋管換熱器內(nèi)的強制對流逐次傳遞給土壤的。而過渡季節(jié)空調(diào)停運時的土壤熱擴散則是自然傳熱過程，地埋管換熱器附近的土壤由于其儲熱向遠(yuǎn)處擴散而造成自身溫度緩慢趨于初始值?？梢娡寥赖臒崞胶馐莻€復(fù)雜多變的過程，量化分析有理論上的困難，但更為麻煩的是復(fù)雜的分層地質(zhì)差異、多變的地下水含量與流速、長期運行空調(diào)逐時負(fù)荷的變動等諸多微觀因素，使得貼近實際情況的模擬軟件模型搭建困難，如此長模擬時間對于實際情況的偏差也難以控制。但排除地埋管換熱器換熱效果的影響，土壤熱失衡問題應(yīng)從冬夏空調(diào)負(fù)荷情況、地埋管換熱器的問距、地埋管換熱器系統(tǒng)構(gòu)成和實際運行情況幾方面進(jìn)行分析?？照{(diào)負(fù)荷差異是土壤熱失衡問題出現(xiàn)的根源，但是對于具體項目這是確定的和難以改變的，而系統(tǒng)構(gòu)成和間距則在設(shè)計中可以調(diào)整和優(yōu)化，后期運行管理是落實設(shè)計中技術(shù)措施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計合理的系統(tǒng)如果管理運行不當(dāng)，也會造成全年熱失衡或季節(jié)局部土壤熱平衡不利，因此地埋管地源熱泵的熱失衡問題應(yīng)該主要通過優(yōu)化設(shè)計和規(guī)范管理來共同解決。

2.3 土壤溫度變化的趨勢分析。地埋管換熱器周圍的土壤溫度變化總是由內(nèi)向外逐層傳遞，任何一點的逐時溫度主要由冬夏季節(jié)兩條周期性變化的日平均溫度波的相位和波幅疊加決定，同時還受空調(diào)間歇運行造成的多條逐時溫度波變化影響。因此，全年在以地埋管換熱器中心為半徑的各層土壤的溫度變化規(guī)律大致相同，可以近似認(rèn)為是多組以年為周期波動的正弦曲線。地埋管換熱器靠近管壁處土壤的溫度波動幅度較大，豎直地埋管換熱器半徑方向上各處溫度振幅迅速衰減，這是因為土壤換熱作為管內(nèi)強迫傳熱和管外自然傳熱的一種復(fù)合傳熱過程，其熱阻主要是管外的土壤熱阻，因此土壤對傳熱的波峰衰減和時間延遲就顯得非常明顯。

當(dāng)夏季工況結(jié)束時，地埋管換熱器周圍土壤溫度場并沒有馬上進(jìn)入恢復(fù)階段，而是按照該處土壤滯后的相位溫度繼續(xù)逐次升高，直至達(dá)到該處波峰，這個相位的延遲越遠(yuǎn)，離地埋管換熱器需要的時間越久。這說明土壤自身的熱擴散和溫度恢復(fù)能力是比較差的，原因在于土壤本身的熱阻要高于管內(nèi)對流熱阻和管壁的熱阻，因此隨著散熱半徑的增大，地埋管換熱器總熱阻迅速增大，土壤完全依靠自身擴散取得熱平衡所需的恢復(fù)時間增長。同時由于土壤溫度的傳遞是動態(tài)的，需要認(rèn)真分析不同地埋管換熱器溫度波的疊加，比如夏季剛開始運行時，地埋管地源熱泵的散熱效果是比較好的，但如果持續(xù)運行，當(dāng)不同地埋管換熱器的溫度波開始疊加而互相影響后，就會出現(xiàn)冷卻水溫度升高和系統(tǒng)效率下降的情況，此時土壤溫度將進(jìn)入快速上升期，此后地埋管地源熱泵的持久運行特性將變差。

因此應(yīng)根據(jù)需要合理設(shè)定地埋管換熱器的布置間距，如能適當(dāng)增加地埋管換熱器鉆孔的深度，也將有利于提高地埋管地源熱泵系統(tǒng)的持久運行特性。

3 某地埋管地源熱泵土壤溫度變化實測分析

測試項目位于武漢市，地埋管地源熱泵系統(tǒng)為總建筑面積38000m2的約200戶小高層住宅居民提供空調(diào)冷熱源。項目設(shè)計夏季冷負(fù)荷為1560kW，冬季熱負(fù)荷為1000kW，地埋管換熱器安裝于2002年，共采用240個70m深的地埋管換熱器，鉆孔間距為4m。該地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)有輔助冷卻塔，但系統(tǒng)從2004年夏季開始運行至今，由于尚未出現(xiàn)冷卻水溫度持續(xù)超過設(shè)計值，因此冷卻塔從未投入使用。本文整理了該系統(tǒng)從2005年冬季開始連續(xù)3個季度的監(jiān)測記錄，剔除數(shù)據(jù)不全日期后的匯總數(shù)據(jù)分析可得出如下幾條規(guī)律：

3.1 地埋管地源熱泵冬夏運行時，土壤溫度的變化很小，但是2006年1月7El比2005年1月7日的土壤溫度有明顯的升高，這證明了地埋管地源熱泵的熱平衡是長期運行特性的反應(yīng)。而且距離地埋管換熱器中心越遠(yuǎn)，土壤溫度受地埋管換熱器的影響越小，并且溫度值越接近土壤的初始溫度越穩(wěn)定。

3.2 夏季土壤溫升比冬季土壤溫降更為明顯，沿豎直地埋管換熱器半徑方向的衰減也更為迅速，這說明夏季空調(diào)負(fù)荷強度大于冬季。

3.3 地埋管地源熱泵運行一年后，各層土壤的溫升為1.5～2℃，從冬季運行數(shù)據(jù)來看，距離地埋管換熱器中心越近溫升越明顯?？梢灶A(yù)測，對比不同周期年夏季運行工況中得到的測試數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)距離地埋管換熱器中心越近溫升越大的趨勢。而這兩種趨勢可以導(dǎo)致周期年后地埋管地源熱泵系統(tǒng)的冬季制熱效率稍有提升但夏季制冷效率明顯下降。

4 展望

地源熱泵技術(shù)具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢，地埋管地源熱泵是建筑空調(diào)冷熱源的合理可行的方案之一。它的市場競爭力主要取決于系統(tǒng)研發(fā)的深度與廣度、設(shè)計與施工質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化程度以及系統(tǒng)造價。不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同能源結(jié)構(gòu)及價格決定著該系統(tǒng)初投資的高低及其經(jīng)濟性。該技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中還有一些問題需要解決，設(shè)計、施工和運行都需要進(jìn)一步規(guī)范。但同時也必須看到，我國具有應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的廣闊市場與條件。近年來，地埋管地源熱泵技術(shù)正在得到政府的大力支持，已經(jīng)在國內(nèi)越來越多的地方開始得到推廣應(yīng)用，因此地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

5 結(jié)語

通過對新時期下，地源熱泵系統(tǒng)的問題分析，進(jìn)一步明確了地埋管的發(fā)展方向，為地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化完善奠定了堅實基礎(chǔ)，有助于提高地埋管的水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡穎玲，張華，陳帥.不同埋深換熱器地源熱泵冬季供暖實驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010.