土壤源熱泵系統(tǒng)“熱堆積”問題解決策略綜述

秦永星 趙小利 楊超凡 陳九法

1 中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司

2 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

在我國大力倡導(dǎo)“ 節(jié)能和環(huán)?！钡内厔菹拢照{(diào)領(lǐng)域的節(jié)能改造成為了節(jié)能減排的重點內(nèi)容。地源熱泵作為一種利用淺層地?zé)豳Y源的空調(diào)系統(tǒng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。土壤源熱泵是利用地埋管換熱器與地下土壤進行換熱，在夏季向土壤釋放熱量，冬季時從土壤中吸收熱量。但是在實際情況中，當(dāng)系統(tǒng)向土壤的釋熱量大于取熱量時，就會造成“ 熱堆積”的問題。圖 1 顯示南京某一土壤源熱泵系統(tǒng)運行1 年后，土壤出現(xiàn)了嚴重溫升。目前，很多學(xué)者對土壤源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡性進行了深入研究，但是缺乏對這方面系統(tǒng)的綜述。本文旨在總結(jié)土壤源熱泵系統(tǒng)熱不平衡性研究、歸納了通過采取控制策略和系統(tǒng)配置優(yōu)化來解決“ 熱堆積”問題的方法。

圖1 南京市某土壤源熱泵系統(tǒng)運行一年土壤溫度變化

1 解決熱不平衡問題的系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 地源側(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化

地源側(cè)埋管換熱器系統(tǒng)的成本占整個土壤源熱泵系統(tǒng)成本的 1/4～1/3[2]，對地源側(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化不僅可以解決熱不平衡問題還可以節(jié)約建設(shè)成本。多數(shù)研究是對埋管換熱器、孔井等進行優(yōu)化，提高系統(tǒng) COP 進而減少熱不平衡。優(yōu)化的內(nèi)容包括孔井參數(shù)，這里包括孔井之間的間距，數(shù)量，布局以及埋管換熱器的埋深。另一方面的優(yōu)化可以針對回填材料的優(yōu)化，回填材料良好的導(dǎo)熱性能，可以幫助周圍土壤更快恢復(fù)溫度，有力與維持系統(tǒng)熱平衡。下面分別介紹孔井參數(shù)、回填材料對解決系統(tǒng)熱不平衡問題的影響。

1.1.1 孔井參數(shù)

通過優(yōu)化孔井參數(shù)可以緩解系統(tǒng)長期運行后土壤溫升的問題，一般可通過增大孔間距、加大井深和優(yōu)化孔井布局來實現(xiàn)。相對于增大埋管深度而言，增大孔間距對土壤源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)的提高更加明顯[2]，加大孔井間距可以提高埋管換熱器系統(tǒng)的熱容，有利于土壤溫度的恢復(fù)。隨著井孔距離的加大，這種收益會越來越小。R ui Fan 等人在分析井孔間距對系統(tǒng)熱平衡的研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行 10 年后，井孔間距分別為 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m 對應(yīng)的土壤平均溫升依次為10.08 ℃，7.25 ℃，5.41 ℃，4.13 ℃和3.22 ℃[3]，如圖2。隨著不斷加大孔井間距，減弱土壤溫升的幅度越來越小，這說明雖然加大孔井間距有利于減弱系統(tǒng)熱不平衡，但隨著不斷加大間距，這種做法帶來的收益會越來越小。Ying、LEL 等人對醫(yī)院，快餐店，住宅和學(xué)校四種類型的建筑的土壤源熱泵系統(tǒng)進行了分析研究，對四個建筑又分別建立了 2×2、4×4、2×8 不同孔井布局的模型。結(jié)果顯示2×8 布局的模型運行狀況要優(yōu)于4×4 布局的模型，這是因為2×8 布局埋管具有更大的散熱周長，還對埋管間距進行了研究，結(jié)果表明將埋管的間距設(shè)置為6 m 是最優(yōu)的選擇[4]。

圖2 不同孔井間距土壤溫升情況

1.1.2 回填材料

回填材料是用來填充埋管與井壁之間的空隙，因此回填材料的熱物性對地源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡有一定的影響，最佳回填做法是將在鉆孔過程中所排出的地層土或巖石進行回填，即原土回填，這樣可以獲得與周圍地層相一致的導(dǎo)熱性能。但在實際施工過程中，原土從挖掘到回填，其熱物性一定會發(fā)生改變，不具有與原有地層參數(shù)相同熱物性，除非地層為均質(zhì)巖土。莊迎春等人分析了回填土的熱物性對換熱器性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)單獨的使用膨潤土不適合用作回填材料，需要配比一定的水泥，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨水灰比的減小而增加?；靥畈牧现猩昂康脑黾訒箤?dǎo)熱系數(shù)往往呈線性增長，摻入大顆粒的骨料可以提高導(dǎo)熱系數(shù)。推薦使用水灰比為 0.45 且砂置換率為 80 %時回填材料具有較好的導(dǎo)熱性能[5]。

1.2 復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)

為解決土壤源熱泵系統(tǒng)熱不平衡的問題，建立一套混合能源的土壤源熱泵系統(tǒng)是一個有效的辦法。宋胡偉等人使用 DeST 軟件對土壤源熱泵系統(tǒng)進行了模擬計算，研究了我國不同地區(qū)代表城市的建筑負荷特性及對土壤源熱泵系統(tǒng)的影響，對復(fù)合系統(tǒng)的適用區(qū)域提出了看法。認為低緯度地區(qū)均不宜單獨使用土壤源熱泵系統(tǒng)進行制冷和采暖，應(yīng)當(dāng)考慮一些輔助冷熱源，設(shè)計成復(fù)合型空調(diào)系統(tǒng)[6]。李蕾等人就濟南某酒店的土壤源熱泵與冷水機組復(fù)合系統(tǒng)進行了模擬比較，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部的冷負荷和熱負荷時，系統(tǒng)的熱不平衡率為 45.63%，這意味著系統(tǒng)長時間運行之后就會發(fā)生COP 嚴重降低的問題。當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān) 70%冷負荷和全部的熱負荷，剩余冷負荷由冷水機組提供時，整個復(fù)合系統(tǒng)的熱不平衡率為6.7%，這表明這種由冷水機組承擔(dān)部分冷負荷的復(fù)合系統(tǒng)具有較好的熱平衡性[7]。

將具有熱回收功能的裝置應(yīng)用到土壤源熱泵可以緩解原有系統(tǒng)熱不平衡性問題。比如，可以增加熱回收裝置來提供生活熱水，夏季時可以減少埋管向土壤的排熱量，冬季時又可以增加熱負荷，從而達到減輕熱不平衡的效果。Z hao 等人將傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)和不同熱回收效率（分別為 18%，30%和 53%）土壤源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡進行了比較，建筑選擇在我國的夏熱冬冷地區(qū)。通過軟件模擬得到，系統(tǒng)在運行20 年后，熱不平衡率分別為29.2%，21.1%，16%和5.2%。同時，土壤的溫升分別為 8.78 ℃，5.25 ℃，3.44 ℃和0.34 ℃[8]，帶有熱回收功能的土壤源熱泵系統(tǒng)具有較好的熱平衡性，運行多年后土壤的溫度不會出現(xiàn)嚴重的升高。

2 解決熱不平衡問題系統(tǒng)控制策略

目前工程上較多使用冷卻塔與地源熱泵構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)來解決土壤源熱泵系統(tǒng)熱不平衡問題。關(guān)于解決土壤源熱泵系統(tǒng)熱不平衡性問題的控制策略研究歸結(jié)來說，是通過模擬多種控制策略下熱泵運行情況，得出土壤溫度，熱泵機組能耗，冷卻塔能耗，系統(tǒng)總能耗以及地埋管進出口流體溫度的變化規(guī)律。目的是尋找當(dāng)前工況下最優(yōu)的控制策略和最優(yōu)的控制點。

2.1 基于溫度控制的運行策略

2.1.1 熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)進（出）口最高溫度控制

該策略是依據(jù)熱泵機組的運行工況來執(zhí)行的，取決于機組所在的建筑的負荷特性。當(dāng)熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)進（出）口溫度超過設(shè)定值時則開起冷卻塔，使得系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。

成恒生等人對我國夏熱冬冷地區(qū)土壤源熱泵復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)的控制策略進行了研究。探討了三種不同的控制策略的系統(tǒng)效果，以應(yīng)對系統(tǒng)熱不平衡問題。以埋管出水溫度作為控制點，當(dāng)出水溫度超過設(shè)定值1 ℃時，冷卻塔維持前一時間步長狀態(tài)。當(dāng)出水溫度低于設(shè)定溫度時，關(guān)閉冷卻塔。其它兩種控制策略分別為地埋管出水與環(huán)境溫差控制、冷卻塔運行時段控制。通過模擬系統(tǒng)20 年的運行后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一種運行策略對土壤的溫升抑制效果較好，同時造成的能耗也多于其它兩種[9]。以流體最高溫度作為控制對象的方法分為兩種，一種是控制熱泵進口流體最高溫度，另一種是控制熱泵出口流體最高溫度。一些學(xué)者比較了這兩種控制方法的抑制土壤溫升的能力。張家駱對比了熱泵機組出口流體溫度控制和進口流體溫度控制的運行效果，模擬了兩種不同的最高溫度控制策略下系統(tǒng)20 年的土壤溫度變化情況，得出當(dāng)對熱泵機組采用最高溫度的控制策略時，對熱泵機組進口流體溫度進行控制，更有利系統(tǒng)熱平衡[10]。最高溫度控制策略下運行缺點是冷卻塔運行時間段空調(diào)負荷較大，而空調(diào)負荷較大往往意味著室外濕球溫度較高，這會影響冷卻塔的工作效率，同時該策略的控制點溫度設(shè)計往往以平衡土壤熱平衡為主要依據(jù)，而忽略系統(tǒng)的綜合能耗。

2.1.2 熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)進（出）口溫度與環(huán)境空氣濕球溫度差值控制

該策略是利用周圍環(huán)境溫度，結(jié)合冷卻塔工況需求，綜合考慮整體機組的運行特性來執(zhí)行的。當(dāng)熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)進（出）口溫度與室外空氣濕球溫度差值大于預(yù)先設(shè)定值時開啟冷卻，小于設(shè)定值時關(guān)閉冷卻塔。當(dāng)采用溫差控制策略時，對熱泵出口溫度進行溫差控制更優(yōu)[9]。

謝鵬等人利用 TRNSYS 軟件模擬了武漢市某小型辦公樓建筑，得到以地源側(cè)循環(huán)介質(zhì)出口溫度與環(huán)境濕球溫度差為控制參數(shù)的運行策略為最佳方案。模擬還得到，相比于無輔助散熱的系統(tǒng)，占地面積可以降至傳統(tǒng)系統(tǒng)的 46%[11]。徐永軍等人利用DeST 軟件對土壤源熱泵系統(tǒng)建模，進行7 年的模擬計算。結(jié)果顯示在溫差的控制策略下，將冷卻塔開啟濕球溫差定為3.5 ℃、當(dāng)濕球溫差為 1.5 ℃時關(guān)閉冷卻塔可以達到最優(yōu)效果[12]。溫差控制法利用室外空氣溫度，提高系統(tǒng)運行效率比較明顯。工程上一般采用溫差控制方法，對熱泵進口流體溫度與當(dāng)前時刻的濕球溫度的差值進行控制。溫差大于2 ℃時，開啟冷卻塔循環(huán)。溫差小于1.5 ℃時，關(guān)閉冷卻塔循環(huán)[9]。但該策略的缺點是容易受環(huán)境影響，可控制性差，一般不易控制地源熱泵主機夏季向地埋管周圍巖土的排熱量[13]，相比于出水溫度控制來說，目標(biāo)性稍差些。

2.2 運行時間控制策略

該策略是依靠的土壤自身溫度恢復(fù)的特性，通過控制冷卻塔的運行時間比進行系統(tǒng)間歇運行。包括晚間開啟冷卻塔，利用夜間將熱量釋放到空氣中。過渡季節(jié)開動冷卻塔和每天的上午和下午時間段開動冷卻塔，利用每天室外濕球溫度最低的時間段來恢復(fù)土壤溫度。劉元采用不同的冷卻塔間歇運行時間分析了時間控制策略下土壤的溫升情況，間歇時間為1 小時、2 小時、3 小時。隨著間歇時間的加大，土壤的溫升越嚴重。間歇時間越短，土壤的熱平衡越好[13]。對于運行時間控制策略，優(yōu)點是執(zhí)行成本較低。但是不能根據(jù)系統(tǒng)工況和建筑負荷進行反饋調(diào)節(jié)，較難解決熱不平衡問題，一般作為溫差控制的輔助方法。控制冷卻塔的開啟時間的策略往往需要配置較大容量的冷卻塔，在夏季冷負荷受室外環(huán)境溫度影響不大的場合和中小型工程不適用[14]。

3 結(jié)論

在我國夏熱冬冷地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)中普遍存在制冷量大于制熱量的現(xiàn)象，這就會造成土壤的熱不平衡問題。本文對地源熱泵系統(tǒng)熱不平衡問題進行了探討，總結(jié)了關(guān)于土壤源熱泵系統(tǒng)熱不平衡性的研究。將解決“ 熱堆積”問題的策略歸納為三種：第一種是采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，包括基于溫度的控制策略、運行時間控制策略。以埋管進（出）口水溫作為控制策略具有很好的目地性，是最直接的控制方法，但是冷卻塔運行時間段空調(diào)負荷一般較大，系統(tǒng)運行效率不高，能耗比較大。以溫差作為控制方法，系統(tǒng)具有較高的運行效率，缺點是易受周圍環(huán)境變化的影響。間歇控制方法執(zhí)行成本較低。但是不能根據(jù)系統(tǒng)工況和建筑負荷進行反饋調(diào)節(jié)，較難解決熱不平衡問題，一般作為溫差控制的輔助方法。第二種是通過優(yōu)化地源側(cè)孔井參數(shù)改善熱不平衡問題，包括孔間距、數(shù)量、布局埋管換熱器埋深的優(yōu)化。相對于增大埋管深度而言，增大孔間距對土壤源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)的提高更加明顯，同時提高回填材料導(dǎo)熱性能也是解決熱不平衡問題的途徑。第三種是構(gòu)建復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)，增加輔助散熱系統(tǒng)。