土壤物理特性對土壤源熱泵影響的研究

劉佳莉 馬 能

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司黃河西岸土地整治分公司 陜西西安 710075）

引言

《中國人民共和國可再生能源法》將風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、太陽能、海洋能和地?zé)崮艿确腔茉戳袨閲覂?yōu)先開發(fā)利用的國家重要資源。我國地?zé)豳Y源豐富，在供暖和制冷方面，土壤源熱泵技術(shù)可以發(fā)揮其優(yōu)勢。土壤源熱泵技術(shù)的發(fā)展也越來越成熟，土壤與熱泵技術(shù)相互作用、影響研究甚少，本文就針對土壤物理特性對熱泵機(jī)組運行效果影響等方面，查閱論文，整理思路僅供參考。

1 土壤源熱泵技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

土壤源熱泵技術(shù)（GSHP）利用地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。地面一定深度以下土壤溫度全年基本穩(wěn)定，且較低于年平均氣溫。通過吸、放熱可以分別在夏冬季為蒸發(fā)器和泠凝器工作提供所需的溫度。土壤源熱泵技術(shù)是一種將低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)，可實現(xiàn)制冷和采暖雙工況。

按照管材分類，一般采用熱熔性塑料管，包括聚乙烯管、聚丁烯管、聚氯乙烯管、聚丙烯和鋁塑復(fù)合管等。

1.2 地埋管傳熱研究

自20世紀(jì)初期，國外專家在換熱器數(shù)值分析方面進(jìn)行了大量的研究，較為典型的有兩種。Kelvin線熱源理論[1]和Kavanaugh[2]建立了圓柱熱源模型，都只能近似模擬傳熱過程，存在一定的誤差，應(yīng)用具有局限性。

國內(nèi)學(xué)者在線熱源的基礎(chǔ)上提出平均傳熱系數(shù)的傳熱評價標(biāo)準(zhǔn)，并對套管式和U型管地下?lián)Q熱器傳熱熱阻進(jìn)行分析對比。還有學(xué)者通過對試驗?zāi)Ｐ蜔徇^程進(jìn)行分析，建立了與實際地下埋管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)相吻合的三維傳熱數(shù)學(xué)模型，通過有限單元法和向前差分法求解相應(yīng)微分方程，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)耦合。

1.3 土壤源熱泵的優(yōu)點

（1）土壤源熱泵的冷源和熱源來自土壤，將從土壤中吸收熱量和冷量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)達(dá)到制冷和供暖的效果。利用的是土壤這一可再生的天然、可再生能源。有利于低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

（2）與傳統(tǒng)空調(diào)加鍋爐系統(tǒng)相比較，土壤源熱泵無需設(shè)置冷卻塔和鍋爐系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單、運行費用低；與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)比較，運行費用降低一半左右。

（3）換熱器深埋于地下，空調(diào)機(jī)房占地面積減少。

2 土壤物理特性對土壤源熱泵影響的研究

2.1 土壤特性

土壤的熱物性參數(shù)包括：土壤密度、含水率、比熱容、飽和度、孔隙比、導(dǎo)熱系數(shù)和土壤初始溫度。土壤熱物性參數(shù)是主要影響土壤源熱泵系統(tǒng)的重要因素之一，土壤源熱泵系統(tǒng)中的埋管深度、埋管間距、U型管的進(jìn)出口溫差、換熱器傳熱性能等都由土壤物性參數(shù)確定。

土壤作為土壤源熱泵系統(tǒng)的吸熱與排熱場所，其熱物性及初始溫度分布對土壤源熱泵系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生很大的影響，不同埋地?fù)Q熱器在不同的土壤結(jié)構(gòu)和地層狀況條件下?lián)Q熱情況是不同的，所以研究土壤的熱物性和初始溫度分布對于土壤源熱泵系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

2.2 土壤物性參數(shù)對土壤源熱泵影響研究

長安大學(xué)張小剛[3]對西安市不同地貌單元淺層巖土熱物性對土壤源熱泵系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，通過巖土熱響應(yīng)實驗，得到結(jié)論：主城區(qū)黃土塬地貌區(qū)域包氣帶厚度30～60m，其他區(qū)域包氣帶厚度2～30m。地下120m內(nèi)，巖土綜合導(dǎo)熱系統(tǒng)的范圍是1.551-2.0W/（m·K），容積比熱容范圍在2.255×106～2.709×106J/（m3·℃）。恒溫層至地下120m內(nèi)巖土的平均溫度范圍16～18℃。通過DeSE年運行能耗值計算和經(jīng)濟(jì)效益比較，得到土壤源熱泵相比常規(guī)空調(diào)節(jié)能效果明顯。

天津大學(xué)張士花[4]對土壤熱泵機(jī)組連續(xù)使用效果進(jìn)行了實驗測試，選擇雙U型地埋管，得出機(jī)組運行4年后土壤溫度有所上升，機(jī)組運行效果降低。

重慶建筑大學(xué)王勇、曾森等人[5]試驗研究，分析出不同的回填介質(zhì)、水流速率、連接方式、季節(jié)對地埋管傳熱系數(shù)的影響，為強(qiáng)化和優(yōu)化地下傳熱提高了可靠的依據(jù)。

2.3 土壤熱物性參數(shù)測定方法研究

北京工業(yè)大學(xué)王瑞華等[6]研制了一套土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定系統(tǒng)。其技術(shù)是建立在LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)、DDE標(biāo)準(zhǔn)和VisualBasic數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上，輸入功率進(jìn)行控制。

東南大學(xué)單奎[7]在傳統(tǒng)的巖土熱物性參數(shù)測試方法的基礎(chǔ)上，提出了一種更節(jié)能的線熱源制造方式。它基于Ingersoll計算模型對巖土熱物性進(jìn)行測定。

3 土壤源熱泵輔助系統(tǒng)

土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋換熱管傳熱性能受到土壤物性參數(shù)影響較大，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)運行時，換熱器周圍土壤吸收和釋放熱量出現(xiàn)不均衡，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而波動，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。同時，北方和南方地域差異較大，在南方土壤源熱泵系統(tǒng)所需的制冷量大于制熱量，而在北方恰恰相反。為了解決這一現(xiàn)象，提高土壤源熱泵的適用性，可以增加相應(yīng)的輔助系統(tǒng)。

在夏季，土壤源熱泵系統(tǒng)處于制冷工況下，從室內(nèi)系統(tǒng)出來的冷卻劑可以先通過冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷后，再通地埋管熱管進(jìn)行二次降溫，冷凝溫度降低，不僅提高了換熱效果，同時，在相同制冷量的條件下，地埋換熱管的面積相應(yīng)可以減小。在冬季，土壤源熱泵系統(tǒng)處于制熱工況下，從室內(nèi)系統(tǒng)出來的冷卻劑可以通過太陽能加熱系統(tǒng)預(yù)熱，再通過地埋管換熱進(jìn)行二次升溫，提高了蒸發(fā)溫度，同樣可以達(dá)到增強(qiáng)換熱和減少地埋換熱管面積的作用。埋地?fù)Q熱管的初投資占土壤源熱泵系統(tǒng)的50%左右，降低換熱器面積是減少土壤源熱泵系統(tǒng)初投資的具有重要意義。

[1]Ingersoll L R,Plass H J.Theory of the Ground pipe heat source for the heat pump[J].Heating，piping ＆ air conditioning，1948，20：119～122.

[2]Ingersoll L R，Zoeble O J，Ingersoll A C.Heat conduction with engineering，Geological and other application[M].New York：McGraw-Hill，1954.

[3]張小剛.西安地區(qū)巖土綜合熱物性參數(shù)分析及土壤源熱泵經(jīng)濟(jì)適應(yīng)區(qū)研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[4]張士花.土壤源熱泵換熱器周圍土壤溫度變化研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5]王 勇.地源熱泵研究（I）-地下?lián)Q熱器性能研究[D].重慶：重慶大學(xué)，1997.

[6]王瑞華，張亞庭，王普.土壤源熱泵中土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2008，16（2）：171～173.

[7]單奎，張小松，李舒宏.一種現(xiàn)場測定土壤源熱泵巖土熱物性的新方法[J].太陽能學(xué)報，2010，31（1）：22～26.