地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析及其在大型公共建筑中的應用

胡金強

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上海 200051；2-挪信能源技術（上海）有限公司，上海 200072）

地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析及其在大型公共建筑中的應用

胡金強*1,2

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上海 200051；2-挪信能源技術（上海）有限公司，上海 200072）

熱平衡是影響土壤源熱泵系統(tǒng)持久穩(wěn)定運行至關重要的因素之一。本文闡述了熱失衡產(chǎn)生的原因、國內(nèi)常見情況與解決辦法，提出了在大型公共建筑中應用復合式冷卻塔耦合地源熱泵系統(tǒng)解決冷熱不平衡問題。研究結果對解決類似工程項目的熱平衡問題具有參考意義。

地源熱泵；土壤熱失衡；大型公共建筑

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)和建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)[1]。地源熱泵系統(tǒng)屬于可再生能源利用技術，具有高效節(jié)能、低運行成本和良好的社會環(huán)保效益等優(yōu)點，尤其應用于大型公共建筑節(jié)能潛力巨大，在“十一五”期間得到了快速推廣[2-3]，并將在“十二五”得到快速發(fā)展。但該項技術在實際工程的應用中也暴露出不少問題,比如地源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問題。一般來說，在地表15 m以下土壤溫度就可以保持常年穩(wěn)定[4]。深層土壤一年四季相對恒定的溫度保證了地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能，但是土壤吸熱排熱不平衡會造成土壤溫度的持續(xù)變化，嚴重影響熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行，同時也會對生態(tài)環(huán)境造成一定影響，為此必須對熱平衡問題進行深入分析與研究。

1 土壤熱平衡問題的產(chǎn)生

地源熱泵系統(tǒng)并不是一種地熱利用系統(tǒng)，它只是將地下含水層、土坡、巖石、卵石及深層地表水作為熱泵吸排熱的蓄熱體[5]。從地質(zhì)構造上來講，地下30 m～300 m的地層是一個受太陽照射與氣溫影響和地核導熱與對流影響的恒溫層，其溫度是地球表面的太陽照射與氣溫影響和地核的導熱與對流影響的綜合平衡點[6]。這個恒溫層的溫度與當?shù)厝昶骄鶜鉁赜袠O好的相關性，但完全不受當?shù)厮募練鉁刈兓挠绊?。并且由于地殼的導熱系?shù)小、熱容量大，短期內(nèi)此恒溫帶的溫度恢復不可能由地表太陽輻射或深層地熱資源來補充。一般情況下，地埋管換熱器與擴散半徑范圍的土壤換熱過程中，夏季累計向土壤的放熱量與冬季從土壤的取熱量一般并不一致，這樣長期取放熱量不平衡的堆積會超過土壤自身對熱量的擴散能力，造成其溫度不斷偏離初始溫度，并導致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運行效率逐年下降，這即通常所說的地埋管地源熱泵熱失衡問題。土壤源熱泵周期運行后土壤溫度出現(xiàn)上升和下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果，均對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。例如在夏熱冬冷地區(qū)，建筑物夏季空調(diào)負荷一般大于冬季負荷，且夏季空調(diào)制冷時間一般較長，而冬季采暖時間相對較短，因此夏季的累計散熱量大于冬季累計吸熱量。這樣，勢必引起恒溫帶溫度發(fā)生改變。土壤溫度每升高1 ℃，取同樣冷量時能耗增加3%～4%。但是如果處理不當，5年或10年后的溫升會較高，造成系統(tǒng)運行情況明顯惡化[7]。

2 國內(nèi)土壤熱失衡的常見情況

國內(nèi)地源熱泵相比歐美國家起步較晚，現(xiàn)有的地源熱泵系統(tǒng)運行時間不長，其持久運行情況還有待觀察。但從目前運行中暴露出來的問題來看，土壤熱失衡主要有以下幾種情況。

1） 出現(xiàn)最多的情況是為了降低地源熱泵系統(tǒng)初期投資成本，盲目減少鉆孔數(shù)目和孔的深度，地埋管換熱器數(shù)量布置偏少，地源熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性逐年惡化。

2） 根據(jù)文獻中規(guī)定，超過5,000 m2以上的地源熱泵系統(tǒng)應進行熱物性測試實驗[1]。實際工程中，往往出現(xiàn)以經(jīng)驗數(shù)據(jù)代替，造成的結果是系統(tǒng)運行幾年效果嚴重惡化，更有甚者不能使用。

3） 在設計前未進行詳細的建筑動態(tài)負荷分析計算，只根據(jù)經(jīng)驗值估算，導致所設計的空調(diào)系統(tǒng)與建筑所需要的冷熱量不匹配。

4）由于沒有詳細的建筑動態(tài)負荷分析計算，致使空調(diào)系統(tǒng)運行策略設計比較粗糙，未進行優(yōu)化設計。

5） 由于可供地埋管換熱器布置的面積較小，從而減小了地埋管換熱器間距，使得單個地埋管換熱器的擴散半徑減小，降低了持久運行特性。

6） 熱泵機組與地埋管換熱器組群設置不匹配，造成局部土壤溫升過高。

7） 土壤換熱器系統(tǒng)施工質(zhì)量達不到設計要求。

8） 后期系統(tǒng)管理運行不當以及運行管理不完善。

3 土壤熱失衡的解決辦法

1) 埋管現(xiàn)場地下巖土熱物性的準確測定既是地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器優(yōu)化設計的前提與基礎，也是其長期運行后土壤熱平衡校核計算與設計的依據(jù)。因此，準確測量埋管現(xiàn)場土壤熱物性的方法，是土壤源熱泵土壤熱失衡控制的前提與關鍵技術之一。

2) 對擬建項目進行詳細的建筑全年動態(tài)負荷計算，分析冬夏季冷熱不平衡率，這是設計地下埋管換熱器大小的依據(jù)。依據(jù)建筑全年動態(tài)負荷計算結果以及冬夏季冷熱不平衡率，進行地埋管換熱器與空調(diào)系統(tǒng)冷熱量匹配以及進行運行策略優(yōu)化設計，是土壤源熱泵土壤熱失衡控制的關鍵技術之一。系統(tǒng)設計前掌握和了解地下埋管換熱器周圍土壤溫度場的分布，借助于數(shù)學和工程軟件，對埋管周圍的土壤溫度場分布進行數(shù)值模擬，分析埋管周圍在過渡季節(jié)的土壤溫度恢復情況。在此基礎上再合理設計地埋管換熱器深度、間距及數(shù)量，對提高土壤源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)和穩(wěn)定性具有重要意義。

3) 合理設計地埋管換熱器數(shù)目與間距，在條件允許時，分散換熱器布置區(qū)域，適當增加間距，以減小地埋管換熱器單位深度承擔的設計負荷從而減小換熱器的密集度。埋管設計時，可與熱泵機組對應設置成多組回路，交替使用。部分負荷時，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散，避免中心局部過熱。

4) 針對夏季冷負荷大于冬季熱負荷的南方氣候地區(qū)而提出的利用輔助散熱來解決土壤熱失衡的措施。輔助散熱裝置包括冷卻塔、冷卻水池及噴泉等。輔助散熱采用系統(tǒng)調(diào)峰等措施可以將土壤溫升控制在一定范圍內(nèi)并獲得較好的經(jīng)濟性，因此條件具備時應優(yōu)先考慮作為解決土壤熱失衡的主要措施。但是應該注意調(diào)峰系統(tǒng)同時也提高了剩余地埋管換熱器的使用頻率，因此調(diào)峰后土壤承擔的冬夏負荷不宜相差過大。

5) 冷凝熱回收調(diào)控土壤熱失衡。對南方地區(qū)而言，余鑫等[8-9]提出了利用冷凝熱部分回收來預熱空氣處理機組進口空氣，以減少地下排熱，降低土壤熱平衡問題的措施，并進行了全年運行實驗研究。Li S H等[10]針對長江中下游地區(qū)，提出了帶有衛(wèi)生熱水的多功能地源熱泵系統(tǒng)來消除地下熱失衡問題，模擬計算結果顯示，9年運行后土壤溫度僅變化0.3 ℃。

6) 輔助加熱復合系統(tǒng)調(diào)控土壤熱失衡。這是針對冬季熱負荷大于夏季冷負荷的北方寒冷地區(qū)而提出的利用輔助熱源來減少年均土壤取熱量，以調(diào)控土壤熱平衡的措施。通常采用的輔助熱源是太陽能。WANG X等[11]針對哈爾濱地區(qū)，對帶有太陽能跨季節(jié)儲能的太陽能－地源熱泵系統(tǒng)進行了實驗研究，結果表明系統(tǒng)能夠滿足全年供冷、供熱需求，且土壤溫度在冬季可用儲能維持在一個更高的溫度水平，大大提高了冬季供熱效率，其系統(tǒng)COP達6.65。KJELLSSON E等[12]提出了帶有太陽能集熱器的復合地源熱泵系統(tǒng)，并對集熱器與地下?lián)Q熱器的優(yōu)化運行方式進行了探討，研究顯示，通過集熱器向土壤回灌太陽能熱量可有效減少全年埋管從地下土壤的凈取熱量。

7) 間歇運行可有效地改善地埋管換熱管群周圍土壤熱環(huán)境的恢復。楊衛(wèi)波等[13]探討了非連續(xù)運行條件下地埋管的換熱特性，結果表明：合理的間歇運行模式有利于埋管周圍土壤溫度快速恢復，從而可有效提高淺層地熱能利用率。

8) 在地埋管換熱器易造成熱堆積的埋管區(qū)土壤部位設置溫度傳感器，及時監(jiān)控土壤溫度的變化，一旦溫度超過設定值時，可以開啟輔助調(diào)峰設備，避免熱堆積。條件合適的地埋管地源熱泵機房還可以設置自動控制和管理系統(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)。

9) 加強和規(guī)范對土壤源熱泵系統(tǒng)的運行管理，是落實前期優(yōu)化設計措施、解決熱失衡問題的最后環(huán)節(jié)，也是最不可忽視的一個環(huán)節(jié)。運行管理的不當不僅會引起甚至加大冬夏土壤取放熱量的不平衡率，而且還可能使系統(tǒng)設計所采用的熱平衡措施失效。所以應對管理人員進行相關的培訓，并制定管理規(guī)范。

4 某大型公共建筑土壤熱平衡措施

4.1 工程介紹

本工程為某一大型公共建筑，其中大劇院面積19,500 m2，圖書館面積32,475 m2，博物館面積34,195 m2。根據(jù)甲方的需求、當?shù)氐膶嶋H情況和節(jié)能要求，采用垂直式地埋管地源熱泵系統(tǒng)，地埋管換熱器有效埋深為100 m的雙U形，管材選用公稱外徑為25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）換熱管，地埋管換熱器系統(tǒng)的設計將根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料及建筑物的動態(tài)負荷計算結果進行。

4.2 工程中的冷、熱負荷不平衡問題

根據(jù)負荷計算結果，本項目最大瞬時冷負荷9,980.3 kW，最大瞬時熱負荷6,197.6 kW。具體計算結果見表1。

表1 建筑空調(diào)負荷表

夏季累計向地下釋放的熱量：

式中：

qsi——夏季第i小時向地下釋放的熱量，kW；

Qsi——夏季第i小時的冷負荷，kW；

n——夏季供冷的小時數(shù)，取1,500 h；

EER——夏季的能效比，取4.7。

冬季累計從地下吸取的熱量：

式中：

qxj——冬季第j小時從地下吸收的熱量，kW；

Qxj——冬季第j小時的熱負荷，kW；

n——冬季供暖的小時數(shù)，取1,050 h；

COP——冬季的供熱系數(shù)，取4.0

代入數(shù)據(jù)計算得出：夏季累計向地下釋放的熱量為7,701,492 kW·h，冬季累計從地下吸取的熱量為2,817,772 kW·h。計算冬夏兩季冷、熱不平衡率為63.4%，由此看出，冬夏季地源熱泵系統(tǒng)的取熱量和散熱量差距較大，存在嚴重的熱平衡問題。

4.3 問題的解決方案

在對本工程地埋管換熱器系統(tǒng)設計之前，進行了地質(zhì)勘查與土壤熱物性測試以及建筑物動態(tài)負荷計算，根據(jù)熱物性測試和負荷計算結果，井孔間距為5 m×5 m，沿建筑物周邊布置，分散布置有利于土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡。由于本工程熱平衡率為63.4%，存在嚴重的熱平衡問題，為此考慮冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)。

4.3.1 夏季排熱量不足部分采用冷卻塔輔助調(diào)節(jié)

1) 冷卻塔容量的確定

參考ASHRAE1995年設計方法[14]：

式中：

QRej——輔助散熱設備(冷卻塔)設計放熱量，kW；

QTot,Rej——設計供冷月散熱總量，kW·h；

QLoop,Rej——通過地埋管排放到土壤中的設計供冷月散熱量，kW·h；

Hours——設計供冷月時間，h。

本工程中，QTot,Rej為7,701,492 kW·h、QLoop,Rej為2,817,772 kW·h、Hours為300 h，代入式(4)中得QRej為8,139.5 kW。

2) 冷卻塔選型

根據(jù)QRej計算得出冷卻塔的水流量G=0.86×QRej/Δt=1,400 m3/h，選擇8臺標準水量為175 m3/h的模塊閉式冷卻塔。

3) 復合系統(tǒng)冷卻塔的調(diào)峰措施

冷熱平衡前期設計與后期運行調(diào)節(jié)是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效果穩(wěn)定的關鍵因素之一：空調(diào)系統(tǒng)在方案設計深化過程中根據(jù)建筑群使用情況與當?shù)貧夂蛱攸c，夏季空調(diào)負荷大且運行時間長，配置冷卻塔進行調(diào)節(jié)系統(tǒng)全年累計冷熱量的平衡；在系統(tǒng)后期的運行過程中，通過地溫、地埋側供回水溫度的全年實時監(jiān)測，通過控制冷卻塔的運行時間和臺數(shù)控制來調(diào)節(jié)當年土壤源熱泵系統(tǒng)實際排入和提取的冷熱量，由此確保系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定的運行。

4.3.2 回收冷凝熱制取生活熱水來調(diào)節(jié)土壤熱平衡

本工程大劇院有生活熱水需求，熱水量為300 kW。配置模塊式水源熱泵主機，從土壤源熱泵系統(tǒng)中回收部分冷凝熱制取低成本甚至免費生活熱水。滿足大劇院衛(wèi)生生活熱水需求的同時，又有利于土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡。經(jīng)計算夏季免費生活熱水提取量為259,200 kW·h，過渡季節(jié)和冬季低成本生活熱水提取量為691,200 kW·h。

4.3.3 設置有效的監(jiān)測系統(tǒng)

在空調(diào)系統(tǒng)中設置多重監(jiān)測系統(tǒng)，比如地溫監(jiān)測系統(tǒng)、冷卻水回水溫度監(jiān)測系統(tǒng)與地埋側供回水溫度監(jiān)測系統(tǒng)等，多方位保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行。通過以上監(jiān)測，調(diào)整冷卻塔環(huán)路系統(tǒng)的運行時間，由地埋側環(huán)路系統(tǒng)的模塊機組根據(jù)負荷的變化自動加卸載。滿載負荷時，地埋管與冷卻塔同時運行，計劃性調(diào)峰的空間有限。但應注意根據(jù)地溫的實際情況，一定要在部分負荷時有計劃有步驟地實施冷熱平衡調(diào)峰計劃。如有必要時，可在夏季夜間開啟冷卻塔進行地埋管換熱器系統(tǒng)的降溫，以達到土壤全年的冷熱平衡。

4.3.4 后期規(guī)范化運行管理

后期系統(tǒng)運行對土壤源熱泵系統(tǒng)實施規(guī)范化運行管理，無論是落實前期優(yōu)化設計措施，還是解決土壤熱失衡問題，均是最不可忽視的一個環(huán)節(jié)。但是這種情況實際上往往很容易被忽視，根本得不到重視。一般來說，使用者僅關注當前的使用情況，不會考慮土壤源熱泵系統(tǒng)10年后、20年后的穩(wěn)定運行情況，這也是最容易造成系統(tǒng)效率惡化的原因之一，尤其對于復合式地源熱泵系統(tǒng)而言。所以應制定管理規(guī)范，對管理人員進行相關的培訓。管理和操作人員應對通過地溫、地埋側供回水溫度的全年實時監(jiān)測，通過控制冷卻塔的運行時間和臺數(shù)控制來調(diào)節(jié)當年土壤源熱泵系統(tǒng)實際排入和提取的冷熱量，由此確保系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定的運行。

5 結論

1） 在大型公共建筑中采用復合式地源熱泵系統(tǒng)制冷、供暖以及制取生活熱水符合國家節(jié)能環(huán)保等方面的要求，但是工程所在地的熱物性測試以及建筑動態(tài)負荷計算對于大型建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行尤其重要。一方面工程實施前期可進行地埋管換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計；另一方面有利于后期調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡措施。

2） 冷卻塔輔助散熱的混合式地源熱泵系統(tǒng)應用我國南方地區(qū)的實際工程中能有效解決土壤熱失衡問題，而且可以較好地改善地埋管換熱器的換熱環(huán)境，提高機組的效率，降低初投資和運行費用。有利于地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行。

3） 對于冷負荷大于熱負荷的地區(qū)，采用回收冷凝熱制取生活熱水有利于調(diào)節(jié)地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡。

4） 地埋系統(tǒng)設置有效的監(jiān)測系統(tǒng)以及后期規(guī)范化運行均有利于地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡。通過冷卻水回水溫度、地埋側供回水溫度以及地溫的監(jiān)測，實時調(diào)整冷卻塔調(diào)峰措施，將大大改善地埋管換熱系統(tǒng)熱失衡的狀況。

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Analysis of Heat Balance in Ground Source Heat Pump System and Its Application in Large Scale Public Buildings

HU Jin-qiang*1,2
( 1-Ingersoll-Rand (China) Investment Co., Ltd., Shanghai 200051, China; 2- Nuoxin Energy Technology (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

Thermal balance is one of the critical factors that impact the stable and long term operation of ground source heat pump systems. The reasons, common cases and solutions of the underground thermal imbalance in China are introduced. The hybrid ground source heat pump with cooling tower is adopted to solve the problems of thermal balance in large scale public buildings. The result offers a reference to solve the problems of thermal imbalance in similar engineering project.

Ground source heat pump; Underground thermal imbalance; Large scale public building

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.205

*胡金強（1980-），男，工程師，碩士。研究方向：地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與建筑節(jié)能。聯(lián)系地址：上海市仙霞路99號9樓，郵編：200051。E-mail：hujinqiang88@126.com。