地源熱泵系統(tǒng)土壤熱失衡優(yōu)化方案研究現(xiàn)狀

耿德皓

(沈陽建筑大學(xué),遼寧 沈陽 110168)

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展,資源匱乏狀況不容樂觀,大量消耗一次能源使環(huán)境惡化問題日益嚴(yán)重,溫室氣體和有害氣體的排放加劇了環(huán)境破壞,以常規(guī)能源為主的世界能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致化石能源燃料儲備的枯竭和污染。

如圖1所示,我國一次能源消費(fèi)總量逐年上升,《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示,2019年我國一次能源消費(fèi)總量為4.87×109t標(biāo)準(zhǔn)煤,與2015年相比,增加了13.4%。

圖1 2015—2019年一次能源消耗變化圖

清潔可再生能源的利用已成為國家安全、全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。在“十四五”規(guī)劃中,國家將大力發(fā)展和開展地?zé)崮芎推渌鍧嵞茉吹睦谩５責(zé)崮苁且环N清潔、低碳、分布廣泛、資源豐富、安全和高質(zhì)量的可再生能源。地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用具有持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)、高效循環(huán)和可再生利用的特點(diǎn),并可減少污染的排放,改善環(huán)境質(zhì)量,在清潔能源開發(fā)和使用中占有重要地位。地源熱泵是使用電能將低品位的可再生能源轉(zhuǎn)化為高品位的熱能,進(jìn)而對建筑進(jìn)行供暖和供冷。在夏季,地源熱泵系統(tǒng)可以通過熱泵將地下的冷量提取出來為末端進(jìn)行供冷;在冬季,地源熱泵系統(tǒng)通過熱泵將末端的冷量排到地下來為末端進(jìn)行供熱,其工作原理如圖2所示。

圖2 地源熱泵工作原理圖

使用地源熱泵對節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)“清潔、低碳、安全、高效”的目標(biāo)有很大幫助。而對地源熱泵系統(tǒng)對地下的取放熱不平衡就會造成地下土壤溫度的失衡,從而造成熱積累現(xiàn)象,影響地源熱泵高效穩(wěn)定地運(yùn)行。本文對消除地源熱泵熱不平衡現(xiàn)象的方法做一綜述。

1 土壤熱不平衡優(yōu)化方法

熱不平衡現(xiàn)象的發(fā)生點(diǎn)在地源側(cè),因而對地源熱泵的埋管長度深度、回填材料、鉆孔間距等因素進(jìn)行優(yōu)化可以降低土壤熱不平衡對地源熱泵系統(tǒng)帶來的影響,從而提高熱泵機(jī)組的性能系數(shù),使地源熱泵系統(tǒng)高效安全穩(wěn)定運(yùn)行,也可以采用復(fù)合式地源熱泵,解決土壤的熱失衡問題。在地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行策略上,也可以進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最優(yōu)的效果。

1.1 埋管深度

隨著土壤的深度增加,土壤溫度受到地表因素影響越小,土壤的溫度越穩(wěn)定,地埋管埋于地下的深度越深則換熱能力越穩(wěn)定,而地埋管的埋深越深則熱量的消除越慢,較小的地埋管埋深,可以有效地降低地源熱泵的熱不平衡現(xiàn)象。余鑫[1]以上海某檔案館為研究對象,對其地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行長期的運(yùn)行模擬發(fā)現(xiàn),在不同的埋管深度下土壤的溫升不同,土壤的始溫為18 ℃,系統(tǒng)模擬運(yùn)行15年后,埋管深度在60 m時(shí),土壤溫升為2.27 ℃;埋管深度80 m時(shí),溫升為2.8 ℃;埋管深度100 m時(shí),溫升為3.33 ℃;埋管深度120 m時(shí),溫升為3.92 ℃。隨著埋管深度的增加,土壤的溫升也隨之增加,這說明較小的埋深更有利于土壤的熱平衡。李少華等[2]以杭州一綜合辦公樓為研究對象,對其地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了長期模擬發(fā)現(xiàn),地埋管的埋深在20 m的時(shí)候,土壤一年的溫升為0.63 ℃;埋深在40 m的時(shí)候,土壤一年的溫升為0.54 ℃;埋深在60 m的時(shí)候,土壤一年的溫升更是達(dá)到了1.47 ℃。因此合理地設(shè)置地埋管的埋深對地源熱泵的高效運(yùn)行很有必要。

1.2 回填材料

不同的回填材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù),因此,回填材料的類型對于土壤的熱平衡有很大的影響。張玟等人通過對大量文獻(xiàn)的調(diào)研得出,通過向回填材料中加入添加劑,可以使回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大。對于水泥來說,當(dāng)水和灰的比例在0.45的時(shí)候?qū)嵝阅茏詈谩Ｏ蚧靥畈牧现屑尤肱驖櫷?導(dǎo)熱系數(shù)先增后降,砂子相比于黏土導(dǎo)熱系數(shù)更好。回填材料中含砂量越高,導(dǎo)熱系數(shù)越大[3]。

1.3 增加鉆孔間距

不同的鉆孔間距對土壤熱平衡的影響不同,對于地源熱泵的長期運(yùn)行,鉆孔間距對于土壤熱平衡的影響是不可忽視的。駱祖江等[4]對丹陽城區(qū)的一個(gè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行,從而探究鉆孔間距對土壤熱平衡的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在地源熱泵鉆孔間距都為5 m時(shí),運(yùn)行10年,一到五區(qū)的土壤溫升分別為6.9 ℃、10.24 ℃、11.64 ℃、7.44 ℃、6.71 ℃,土壤溫度失衡嚴(yán)重,造成了土壤的熱不平衡現(xiàn)象。隨著鉆孔間距的增大,土壤的溫升顯著下降,當(dāng)一區(qū)的間距增加到18 m,系統(tǒng)運(yùn)行10年土壤的溫升為0.48 ℃;二區(qū)間距增加到23 m,土壤的溫升為0.44 ℃;三區(qū)間距增加到17 m,土壤的溫升為0.47 ℃;四區(qū)、五區(qū)增加到20 m,土壤的溫升分別為0.43 ℃和0.42 ℃,熱不平衡的現(xiàn)象得到了有效的解決。鮑謙等[5]對上海某客運(yùn)站地源熱泵系統(tǒng)的埋管間距進(jìn)行了研究,對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行建模,結(jié)果表明,隨著鉆孔間距的減小,土壤的平均溫度不斷上升,將鉆孔的間距設(shè)置在4 m是地埋管運(yùn)行的最優(yōu)條件?；ɡ虻萚6]對上海市某辦公樓與實(shí)驗(yàn)用樓的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行Trnsys建模,系統(tǒng)模擬運(yùn)行10年,鉆孔的間距由3 m增加到4 m時(shí),土壤的溫升從10.94 ℃降低到7.99 ℃;鉆孔間距由4 m增加到5 m時(shí),溫升降低了1.93 ℃;鉆孔間距由5 m增加到6 m時(shí),溫升降低了1.35 ℃。增加鉆孔間距可以有效地減少土壤熱不平衡現(xiàn)象,但是一味地增加鉆孔間距會造成占地面積的增大,因此在實(shí)際工程中還要結(jié)合實(shí)際去進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.4 熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行

地源熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行是在保證空調(diào)末端滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求的情況下,讓熱泵間歇運(yùn)行,這可以讓地溫場有一定的時(shí)間去恢復(fù)地溫,從而使熱泵機(jī)組平穩(wěn)地運(yùn)行。趙亞楠[7]通過對山東某學(xué)校的地源熱泵進(jìn)行模擬研究,結(jié)果表明地源熱泵的間歇運(yùn)行相比于連續(xù)運(yùn)行更加節(jié)能。熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行對土壤溫度有一定的影響,有利于熱泵機(jī)組的高效運(yùn)行。吳春玲等[8]對天津某辦公樓地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了模擬研究,研究發(fā)現(xiàn)在不進(jìn)行優(yōu)化時(shí),系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行30年,土壤的溫升為12.41 ℃,在對系統(tǒng)進(jìn)行間歇運(yùn)行優(yōu)化研究后,發(fā)現(xiàn)運(yùn)行的起止時(shí)間在7—17時(shí)地源熱泵的運(yùn)行最好,連續(xù)運(yùn)行30年,土壤的溫升為5.42 ℃,有效解決了土壤熱平衡的問題,可以使機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1.5 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)

常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)在對地下的取放熱不平衡時(shí),會造成土壤溫度的失衡,造成土壤的熱不平衡現(xiàn)象,如果加入輔助裝置使機(jī)組向地下的取放熱減少,這還可以降低建設(shè)初期地埋管的經(jīng)費(fèi),緩解土壤溫度失衡的問題。

對于夏熱冬冷冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的地區(qū)一般采用冷卻塔等設(shè)備進(jìn)行輔助散熱,避免土壤溫度失衡的現(xiàn)象發(fā)生。李瑞豐[9]對冷卻塔輔助地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究,研究表明,當(dāng)?shù)芈窆艿倪M(jìn)水溫度與環(huán)境溫度溫差大于8 ℃時(shí),開啟冷卻塔輔助散熱;當(dāng)溫差小于7 ℃時(shí),關(guān)閉冷卻塔,可以有效地減少土壤熱不平衡的問題。馬文涓[10]對冷卻塔輔助地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了建模,研究發(fā)現(xiàn),在沒有冷卻塔輔助時(shí),地溫上升明顯,加入冷卻塔輔助后,土壤的溫升得到有效的降低。陳大建[11]利用模擬軟件建立了混合式地源熱泵系統(tǒng)模型,得出輔助復(fù)合系統(tǒng)適合在夏熱冬冷地區(qū)使用;冷卻塔的不同運(yùn)行時(shí)間對系統(tǒng)的長期運(yùn)行有影響,冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間越長,土壤的溫升越小,機(jī)組的性能系數(shù)越高。趙雙龍[12]對重慶某辦公樓進(jìn)行了模擬研究,研究表明冷卻塔的輔助運(yùn)行可很好地解決土壤熱不平衡問題,并且冷卻塔最佳的運(yùn)行策略是冷卻塔在系統(tǒng)運(yùn)行的第三年開啟,承擔(dān)50%的散熱,并且在冷卻塔的進(jìn)水溫度高于濕球溫度4 ℃時(shí)開啟。程曉曼等[13]通過模擬分析得出,在夏熱冬冷地區(qū)制冷期采用夜間利用冷卻塔進(jìn)行土壤蓄冷可以有效地緩解土壤不平衡現(xiàn)象,系統(tǒng)模擬運(yùn)行10年,土壤的溫升只有0.8 ℃。

對于嚴(yán)寒寒冷地區(qū),熱泵機(jī)組對地下的取熱大于排熱,這時(shí)候就需要對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱以達(dá)到土壤的熱平衡。強(qiáng)小倩[14]對沈陽的某教學(xué)樓進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明,采用燃?xì)忮仩t輔助地源熱泵進(jìn)行供暖可以保證土壤溫度場的平穩(wěn)。陳申偉[15]對天津某大學(xué)某教室進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明,聯(lián)合供暖有效地解決了土壤熱不平衡問題,并且使系統(tǒng)的性能系數(shù)增加了9.1%。王詩蒙[16]對北方的農(nóng)村住宅進(jìn)行了模擬研究,利用Trnsy模擬得出結(jié)論,以地源熱泵與太陽能聯(lián)合供暖可以大幅節(jié)約一次能源的消耗,也避免了土壤溫度失衡的問題。丁兆磊[17]利用模擬軟件對太陽能輔助地源熱泵進(jìn)行了長時(shí)間的模擬,得出在只有地源熱泵進(jìn)行供暖的時(shí)候地溫的平均值逐漸下降,當(dāng)采用太陽能進(jìn)行輔助供熱后土壤熱不平衡問題減弱,并且在太陽能集熱器的面積為400 m2時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)。

1.6 系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

對于采用復(fù)合式地源熱泵機(jī)組的系統(tǒng),不同的運(yùn)行策略可以取得不同的效果,在解決土壤熱不平衡問題的同時(shí)也可以在最大限度地達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。通過模擬不同運(yùn)行策略下地源熱泵聯(lián)合輔助設(shè)備的運(yùn)行情況,得到蒸發(fā)器冷凝器的進(jìn)出口水溫、機(jī)組的功耗等參數(shù)的變化規(guī)律,從而找到最優(yōu)的運(yùn)行策略。黃新江[18]對夏熱冬冷地區(qū)一地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化模擬,得出在地源熱泵單獨(dú)運(yùn)行策略下,運(yùn)行10年后土壤的溫升達(dá)到6.71 ℃,夏季機(jī)組的COP為3.48,冬季機(jī)組的COP為4.39,不能滿足機(jī)組長期穩(wěn)定的運(yùn)行。對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之后的控制策略為地源熱泵系統(tǒng)的用戶側(cè)采用變水溫調(diào)節(jié)控制,并且開啟冷卻塔采用定時(shí)啟停的策略進(jìn)行輔助散熱。模擬結(jié)果表明,在運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化之后地源熱泵機(jī)組冬季和夏季的性能系數(shù)均明顯上升,土壤熱不平衡問題得到了有效解決。朱立東[19]對上海某辦公樓進(jìn)行模擬研究,得出在將地源熱泵機(jī)組地源側(cè)冷卻水的進(jìn)水溫度設(shè)置得越低,系統(tǒng)的性能系數(shù)越高,土壤的熱不平衡現(xiàn)象越少,當(dāng)設(shè)定冷卻水水溫為29 ℃時(shí)為最佳,此時(shí)機(jī)組的性能系數(shù)為4.325;在冷卻塔運(yùn)行時(shí),最優(yōu)的控制策略是供回水的溫差為2 ℃時(shí)開啟冷卻塔,此時(shí)機(jī)組的性能系數(shù)為4.488,土壤的溫升為1.65 ℃;在過渡季單獨(dú)啟用冷卻塔進(jìn)行散熱,土壤的熱堆積現(xiàn)象得到很好的緩解,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),地源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)為4.541,土壤的溫升為0.92 ℃。石維群[20]對地源熱泵的傳熱介質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化,并對不同的進(jìn)出口溫度對系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析,得出在夏季高供回水溫度具有可行性,在長時(shí)間的運(yùn)行中,既能維持土壤的熱平衡,也能在很大程度上節(jié)省能耗。

2 結(jié) 論

地源熱泵對地下的取放熱不平衡造成土壤溫度失衡現(xiàn)象,影響地源熱泵機(jī)組的高效運(yùn)行,造成能源的浪費(fèi)。本文總結(jié)了解決土壤溫度失衡的相關(guān)方法,可以運(yùn)用到實(shí)際的工程之中,第一種是對地源側(cè)地埋管相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,例如地埋管鉆孔間距、埋深的設(shè)定、回填材料的性能系數(shù);第二種是采用混合式地源熱泵系統(tǒng),增加散熱或補(bǔ)熱設(shè)備;第三種在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?例如對熱泵機(jī)組冷卻水冷凍水水溫的控制,對冷卻塔啟停時(shí)間的控制,對地源熱泵進(jìn)行間歇運(yùn)行控制,對太陽能集熱器的面積控制等,都可以有效緩解土壤溫度的失衡,使地源熱泵高效穩(wěn)定運(yùn)行。