李姝睿 白 莉 楊孟喬

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)中,土壤源熱泵系統(tǒng)適應(yīng)性廣,可因地因時(shí)而異,而且更加適合我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象規(guī)模大的特點(diǎn),應(yīng)用日益廣泛.但當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期常年運(yùn)行時(shí),冬夏季冷熱負(fù)荷不平衡地區(qū),特別是嚴(yán)寒地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū),地埋管換熱器布置范圍內(nèi)的土壤熱失衡,是制約我國(guó)大型土壤源熱泵發(fā)展的重要因素.因此，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題的分析是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵.

1 土壤源熱泵系統(tǒng)熱失衡問題的特點(diǎn)及產(chǎn)生原因

土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題在于,實(shí)際工況下當(dāng)冬夏季吸排熱量差異過大,超越土壤自恢復(fù)能力時(shí),將導(dǎo)致土壤溫度的逐年升高或降低,進(jìn)而造成冷量或熱量在地埋管周圍的堆積,使系統(tǒng)效率逐年下降,難以體現(xiàn)土壤源熱泵高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)[1].地埋管地源熱泵熱失衡根本上是冬夏自土壤取放熱量的差異所導(dǎo)致的.這取決于該系統(tǒng)本身的復(fù)雜特性和人為因素兩方面.

1.1 系統(tǒng)自身特征

圖1 土壤源熱泵工作原理圖

土壤源熱泵系統(tǒng)本身具有依托環(huán)境,因地而異,自適應(yīng)性不強(qiáng)的特征,如不能使系統(tǒng)從土壤中取放的熱量控制在地埋管周圍土壤的自恢復(fù)能力范圍內(nèi),容易產(chǎn)生不平衡的隱患.如圖1所示,土壤源熱泵系統(tǒng)的年循環(huán)過程為,在夏季從室內(nèi)吸取熱量,并通過地埋管向土壤中釋放這部分熱量,土壤溫度隨之升高,經(jīng)歷恢復(fù)期后,在冬季系統(tǒng)將由地下吸收熱量供給用戶方,土壤溫度隨之下降,再經(jīng)歷恢復(fù)期[2].理論上,夏季向土壤的排熱量與冬季土壤的吸熱量相等時(shí),經(jīng)過一年的周期土壤溫度場(chǎng)基本不發(fā)生變化,就可以保證土壤源熱泵在使用壽命內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行.但由于我國(guó)地理?xiàng)l件和氣候條件復(fù)雜,各地對(duì)冷熱負(fù)荷的需求比例大不相同,北方多以供熱為主制冷為輔,南方多制冷為主供熱為輔,只有少部分地區(qū)自然滿足冷熱需求量相當(dāng)(即吸放熱量差不過分超過土壤自恢復(fù)能力),這就使得多數(shù)土壤源熱泵系統(tǒng)都需要考慮土壤熱平衡問題.

1.2 人為因素

設(shè)計(jì)中的不合理因素.為節(jié)省初投資,節(jié)省占地面積,設(shè)計(jì)時(shí)布置地埋管數(shù)量過少,布置過密或采用較淺埋深的現(xiàn)象比較嚴(yán)重,這會(huì)導(dǎo)致土壤蓄能體積減小,單位埋深取放熱量增加,埋管間溫度波疊加,土壤溫度難以自恢復(fù),使本來(lái)處于可控范圍內(nèi)的熱平衡問題加劇.施工運(yùn)行,調(diào)試管理控制不當(dāng).施工中的技術(shù)問題,如鉆孔較深時(shí)打孔的偏差可能使深層埋管的間距變窄;操作人員專業(yè)技術(shù)不強(qiáng),對(duì)復(fù)合式系統(tǒng)的運(yùn)行管理不當(dāng),做不到間歇控制等.因此產(chǎn)生了不能按需開啟輔助冷熱源,未有效利用調(diào)峰設(shè)施的冷熱平衡功能,對(duì)流量和閥門的管控不善等一系列問題,致使系統(tǒng)從土壤取放熱量的不平衡率大于設(shè)計(jì)值,產(chǎn)生冷堆積或熱堆積.

1.3 外界因素

由于地源熱泵系統(tǒng)大多比較獨(dú)立,因此不同地區(qū)地址水文條件的復(fù)雜性等外界因素同樣不可忽視.由于我國(guó)幅員遼闊,地理?xiàng)l件和氣候條件等自然條件復(fù)雜,導(dǎo)致各地冬夏季對(duì)冷熱負(fù)荷的需求比例差異較大.如北方多以供熱為主，空調(diào)方式輔以制冷,南方多制冷為主，空調(diào)方式輔以供熱,只有少部分地區(qū)可以達(dá)到自然滿足比例相當(dāng)?shù)睦錈嵝枨罅?另外地下水豐富地區(qū),地埋管附近地下水的流動(dòng)和滲流利于換熱器傳熱,相對(duì)于巖石等地下結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)熱失衡.再者不同地質(zhì)條件和回填土的熱傳導(dǎo)性能的差異也不容忽視.

2 土壤源熱泵系統(tǒng)熱失衡的影響和危害

2.1 不利于系統(tǒng)長(zhǎng)效保質(zhì)運(yùn)行

地埋管周圍土壤的熱失衡將致使熱泵機(jī)組的能效不斷降低,甚至有導(dǎo)致熱泵機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn).證實(shí)在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)熱泵系統(tǒng)冬季供暖所需負(fù)荷大于夏季制冷所需負(fù)荷,系統(tǒng)冬季從土壤吸取的熱量大于夏季向土壤排出的熱量,長(zhǎng)此以往，土壤溫度有逐年降低的可能,導(dǎo)致地源熱泵機(jī)組冬季時(shí)蒸發(fā)溫度降低,系統(tǒng)耗功率上升,COP值下降,一般地下土壤溫度每降低1℃則通過其制取同等熱量的能耗將增加3%～4%[3].對(duì)于南方地區(qū)熱失衡情況下,也存在制冷量降低,系統(tǒng)效率下降的可能.可以說(shuō)一個(gè)不考慮熱平衡問題的土壤源熱泵系統(tǒng)是不完善的系統(tǒng).

2.2 對(duì)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的影響

由于地埋管地源熱泵系統(tǒng)直接利用換熱器由土壤取熱,必然對(duì)局部土壤熱、濕及鹽分遷移產(chǎn)生影響,而影響的多少則需要根據(jù)研究的深入逐步量化,使不利因素減到最小.理論上在一定時(shí)期內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)處于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).任何一個(gè)環(huán)節(jié)的非正常變化都可能造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞.業(yè)界認(rèn)為在全年冬夏由土壤取放熱量相等的條件下,土壤源熱泵不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成任何影響,但由于量化困難及指導(dǎo)性理由不充分.人們對(duì)于由于熱平衡問題所引起的熱堆積而造成的土壤溫度變化,及其對(duì)大地?zé)崃骱蜕鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響所知甚微.但土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)作用半徑內(nèi)的地址環(huán)境,水文環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視是不爭(zhēng)的事實(shí).由于溫度是影響生物酶活性的重要因素,土壤源熱泵系統(tǒng)常年由土壤吸取和釋放熱量的過程無(wú)疑會(huì)給作用半徑內(nèi)的動(dòng)植物和微生物的生長(zhǎng)和生態(tài)循環(huán)帶來(lái)不可逆的影響.

3 解決方法

3.1 設(shè)計(jì)措施

目前國(guó)內(nèi)冬夏負(fù)荷不平衡地區(qū),地源熱泵熱的地下熱失衡問題解決的設(shè)計(jì)手段日趨多樣化,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用多種設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案對(duì)比,根據(jù)實(shí)際情況得出最優(yōu)方案.本文主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和地埋管換熱器設(shè)計(jì)角度分以下幾個(gè)方面展開.

(1) 在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)充分考察工程場(chǎng)地具體狀況,以及該區(qū)域地下淺層的資源和地質(zhì)條件是否適合該系統(tǒng). 設(shè)計(jì)前根據(jù)規(guī)范和需要做巖土熱響應(yīng)試驗(yàn),必要時(shí)增加測(cè)試孔數(shù)量.根據(jù)測(cè)得的地下水文條件、巖土土質(zhì)和巖層分布，為設(shè)計(jì)方案的選擇提供依據(jù).

(2) 設(shè)置輔助冷熱源以分擔(dān)過多的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷[4]. 例如,嚴(yán)寒地區(qū)采用太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)能或利用燃?xì)馊加秃统鞘袩峋W(wǎng)等方式向土壤補(bǔ)熱;又如夏熱冬冷地區(qū),可采用冷卻塔等設(shè)備輔助供冷.

(3) 采用冬夏季面積分區(qū)的方法,同一套地源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)不同的供熱面積和制冷面積. 根據(jù)冬夏季冷熱負(fù)荷一致或根據(jù)研究得到的最佳冷熱負(fù)荷比例,將冬夏冷熱負(fù)荷比折合成供熱面積與制冷面積比,面積差值部采用其他手段制冷或供熱.這種方法打破傳統(tǒng)的供熱面積與制冷面積一般相同的束縛,設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行都比較靈活,用于功能特殊的建筑效果更佳.

(4) 利用設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行地埋換熱管設(shè)計(jì). 如瑞典隆德大學(xué)的EED;威斯康星大學(xué)SEL的TRNSYS;俄克拉何馬州大學(xué)的GLHEPRO等軟件,是根據(jù)現(xiàn)今國(guó)際較認(rèn)可的瑞典隆德大學(xué)的g-functions算法編制的,利用以上軟件計(jì)算和國(guó)內(nèi)大專院校研究的專業(yè)軟件計(jì)算比按鉆孔單位延米換熱量設(shè)計(jì)地埋管更加科學(xué).

(5) 控制地埋管換熱器的布置密度和布置深度,并適度減小地下?lián)Q熱器單位深度的設(shè)計(jì)負(fù)荷. 換熱器群的密集度過高,必然會(huì)帶來(lái)冷量和熱量的過分堆積,一旦這種冷熱量的堆積超過土壤的自恢復(fù)能力必將影響系統(tǒng)連年運(yùn)行,導(dǎo)致系統(tǒng)效率連年下降.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)豎直地埋管間距一般在4m～6m,鉆孔深度一般為50m～150m,理論上豎直地埋管間距越大,深度越深,單位深度設(shè)計(jì)負(fù)荷越小系統(tǒng)的連年運(yùn)行性能越穩(wěn)定,不易出現(xiàn)熱平衡問題.但實(shí)際上鉆孔間距和鉆孔深度與初投資和占地面積成正比,部分設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)時(shí)為節(jié)省初投資,減小占地面積,往往采用鉆孔密集或豎直埋管布置數(shù)量不足等方式,初始運(yùn)行不易發(fā)現(xiàn)弊端,但持久運(yùn)行系統(tǒng)存在性能變差的風(fēng)險(xiǎn),需要特別注意.

(6) 采用分區(qū)布井、分區(qū)調(diào)控的地埋管布置方案. 將地埋管按恢復(fù)能力大小根據(jù)全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷,先從土壤溫度易恢復(fù)區(qū)域取放熱量,峰值時(shí)再開啟土壤溫度恢復(fù)不利的區(qū)域.由于土壤源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求達(dá)到自動(dòng)化.并采用適合系統(tǒng)的豎直地埋管換熱器形式,豎直地埋管有單U,雙U,螺旋盤管,蜘蛛狀,套管式,立柱狀等,優(yōu)缺點(diǎn)各異,應(yīng)結(jié)合巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)特性選擇.

3.2 施工措施

圖2 地埋管回填示意圖

地埋管防漏,回填注意事項(xiàng)和系統(tǒng)調(diào)試是針對(duì)地源熱泵熱平衡問題施工中可以采取的主要措施.施工中規(guī)范的施工工法是系統(tǒng)合格的保證,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工是保證系統(tǒng)高效合格的基礎(chǔ).

一是地埋管防漏.地埋管系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的密封性是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),一旦發(fā)生泄漏不僅修補(bǔ)難度大,還有污染土壤環(huán)境的副作用.應(yīng)選用出場(chǎng)不久且不污染環(huán)境的聚乙烯、聚丁烯管材,施工前空氣試壓查漏并注意保護(hù)和存放.管道采用熱熔電熔連接,除U型彎頭豎直埋管為整根管材.應(yīng)該嚴(yán)格按照管道壓力試驗(yàn)制度等相關(guān)規(guī)定,井下管道完工后均進(jìn)行水壓試驗(yàn),試驗(yàn)合格全面消除隱患后應(yīng)進(jìn)行保壓回填.

二是回填材料選擇和回填注意事項(xiàng)[5].回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)不宜低于鉆孔外巖土導(dǎo)熱系數(shù),抗?jié)B性能也是選擇回填材料的重要指標(biāo).回填材料對(duì)豎直埋管換熱器傳熱特性乃至整個(gè)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性會(huì)產(chǎn)生影響.施工中應(yīng)主要采用以膨潤(rùn)土或水泥為基料的灌漿作為回填材料,必須杜絕夾雜物碎石作為回填材料,回填料必須在鉆孔內(nèi)充分沉淀并保證其密實(shí)度.施工中應(yīng)加大監(jiān)督力度,確?；靥钸^程中所用材料及施工功法規(guī)范化.

3.3 運(yùn)行管控

加強(qiáng)運(yùn)行管理,采用分區(qū)恢復(fù)、間歇控制、系統(tǒng)調(diào)峰等方法,是運(yùn)行管控中改善土壤熱失衡現(xiàn)象的有效手段.由于土壤源熱泵機(jī)組的使用周期較長(zhǎng),維持長(zhǎng)期高效的系統(tǒng)運(yùn)行,離不開合理的運(yùn)行管理.對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)合理規(guī)范的運(yùn)行管控,不僅可以保護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)效高質(zhì)運(yùn)行,還能抑制土壤的熱失衡.

一是間歇控制.業(yè)界認(rèn)為土壤源熱泵系統(tǒng)中熱源群分布負(fù)荷的周期性間歇?jiǎng)討B(tài)控制,有利于改善能量的可控性傳輸和擴(kuò)散[6],合理的間歇時(shí)序能夠促進(jìn)土壤蓄能及抑制所蓄熱量或冷量的流失，并認(rèn)為晝夜性間歇控制的效果優(yōu)于全日性間歇控制.

二是系統(tǒng)調(diào)峰.復(fù)合式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以通過設(shè)置系統(tǒng)調(diào)峰,隨全年不同季節(jié)的負(fù)荷變動(dòng)要求及時(shí)開啟系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)施,合理管控地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行,從而充分利用調(diào)峰設(shè)施的冷熱平衡功能.

三是分區(qū)恢復(fù)土壤溫度的方法.對(duì)于管井排數(shù)較多的地埋管換熱器群,可以采用分組控制的方法,換熱能力和恢復(fù)能力強(qiáng)的管組優(yōu)先運(yùn)行,而換熱能力較差的管組在必要時(shí)運(yùn)行可得到更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間,這樣可有效避免埋管群的中心區(qū)域出現(xiàn)冷熱堆積累現(xiàn)象.

4 結(jié)論

地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對(duì)于建筑節(jié)能具有重要意義,而解決土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題又關(guān)系著地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)效高質(zhì)運(yùn)行.本文充分分析了土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題出現(xiàn)的系統(tǒng)原因,人為因素和復(fù)雜的自然地質(zhì)條件等原因，并從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理角度分別提出了一系列解決措施.

(1) 設(shè)計(jì)階段充分分析建筑的負(fù)荷特性,采取合理的地埋管布置方案,必要時(shí)采取設(shè)置輔助冷熱源;

(2) 施工中注意地埋管防漏,回填材料選擇,規(guī)范回填等;

(3) 運(yùn)行管理中采用分區(qū)取熱分區(qū)恢復(fù),間歇控制,系統(tǒng)調(diào)峰等方法.

參 考 文 獻(xiàn)

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