地埋管地源热泵系统的热平衡

魏佳

摘 要：地埋管事地源热泵系统的核心。文章首先阐述了地源热泵系统的定义及分类，然后探讨了地埋管地源热泵的工作原理，最后对某地埋管地源热泵土壤温度变化实测进行了分析。

关键词：地埋管；地源热泵系统；热平衡

近年来，地源热泵系统不断发展壮大，在其发展的过程中存在一些问题和不足需要改进，在建设社会主义和谐社会的新时期，加强地埋管地源热泵系统的热平衡的探索，对地源热泵系统的发展有着重要意义。

1 地埋管地源热泵的工作原理

地埋管地源热泵系统是以浅层土壤为热源，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位向高品位热能转移的热泵空调系统。冬季供暖时，通过热泵把大地中的热量升高后对建筑物供暖，同时使大地的温度降低，即蓄存冷量，以备夏季使用；夏季制冷时，通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以备冬季使用。该系统一般包括三个环路：地埋管换热器环路、热泵机组环路及空调末端装置环路。

2 土壤热平衡的特征

2.1 土壤热平衡的时间尺度。土壤热失衡问题与地埋管地源热泵的运行过程紧密相关，但是它所针对的并不是系统某个夏季运行中的土壤温升或冬季运行中的土壤温降，而是运行一个周期年之后土壤温度与初始土壤温度的变化，以及连续运行多年后土壤热堆积对系统运行特性的影响。因此，分析土壤热失衡问题的时间尺度应该是系统寿命周期内以年为单位的离散点。1年的土壤累计温升可能只是1℃的量级，对热泵机组和系统效率影响不大，但是如果处理不当，5年或10年后的温升就会较高，造成系统运行情况明显恶化。

2.2 土壤热失衡问题的影响因素。空调季节地埋管换热器内的逐时负荷输入造成土壤温度波向远离地埋管换热器壁面方向传递，但对于远离其壁面不同距离处有不同的峰值衰减和时间延迟，此时，土壤是热泵的热源或热汇，热量是通过地埋管换热器内的强制对流逐次传递给土壤的。而过渡季节空调停运时的土壤热扩散则是自然传热过程，地埋管换热器附近的土壤由于其储热向远处扩散而造成自身温度缓慢趋于初始值。可见土壤的热平衡是个复杂多变的过程，量化分析有理论上的困难，但更为麻烦的是复杂的分层地质差异、多变的地下水含量与流速、长期运行空调逐时负荷的变动等诸多微观因素，使得贴近实际情况的模拟软件模型搭建困难，如此长模拟时间对于实际情况的偏差也难以控制。但排除地埋管换热器换热效果的影响，土壤热失衡问题应从冬夏空调负荷情况、地埋管换热器的问距、地埋管换热器系统构成和实际运行情况几方面进行分析。空调负荷差异是土壤热失衡问题出现的根源，但是对于具体项目这是确定的和难以改变的，而系统构成和间距则在设计中可以调整和优化，后期运行管理是落实设计中技术措施的关键环节。设计合理的系统如果管理运行不当，也会造成全年热失衡或季节局部土壤热平衡不利，因此地埋管地源热泵的热失衡问题应该主要通过优化设计和规范管理来共同解决。

2.3 土壤温度变化的趋势分析。地埋管换热器周围的土壤温度变化总是由内向外逐层传递，任何一点的逐时温度主要由冬夏季节两条周期性变化的日平均温度波的相位和波幅叠加决定，同时还受空调间歇运行造成的多条逐时温度波变化影响。因此，全年在以地埋管换热器中心为半径的各层土壤的温度变化规律大致相同，可以近似认为是多组以年为周期波动的正弦曲线。地埋管换热器靠近管壁处土壤的温度波动幅度较大，竖直地埋管换热器半径方向上各处温度振幅迅速衰减，这是因为土壤换热作为管内强迫传热和管外自然传热的一种复合传热过程，其热阻主要是管外的土壤热阻，因此土壤对传热的波峰衰减和时间延迟就显得非常明显。

当夏季工况结束时，地埋管换热器周围土壤温度场并没有马上进入恢复阶段，而是按照该处土壤滞后的相位温度继续逐次升高，直至达到该处波峰，这个相位的延迟越远，离地埋管换热器需要的时间越久。这说明土壤自身的热扩散和温度恢复能力是比较差的，原因在于土壤本身的热阻要高于管内对流热阻和管壁的热阻，因此随着散热半径的增大，地埋管换热器总热阻迅速增大，土壤完全依靠自身扩散取得热平衡所需的恢复时间增长。同时由于土壤温度的传递是动态的，需要认真分析不同地埋管换热器温度波的叠加，比如夏季刚开始运行时，地埋管地源热泵的散热效果是比较好的，但如果持续运行，当不同地埋管换热器的温度波开始叠加而互相影响后，就会出现冷却水温度升高和系统效率下降的情况，此时土壤温度将进入快速上升期，此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。

因此应根据需要合理设定地埋管换热器的布置间距，如能适当增加地埋管换热器钻孔的深度，也将有利于提高地埋管地源热泵系统的持久运行特性。

3 某地埋管地源热泵土壤温度变化实测分析

测试项目位于武汉市，地埋管地源热泵系统为总建筑面积38000m2的约200户小高层住宅居民提供空调冷热源。项目设计夏季冷负荷为1560kW，冬季热负荷为1000kW，地埋管换热器安装于2002年，共采用240个70m深的地埋管换热器，钻孔间距为4m。该地埋管地源热泵系统设有辅助冷却塔，但系统从2004年夏季开始运行至今，由于尚未出现冷却水温度持续超过设计值，因此冷却塔从未投入使用。本文整理了该系统从2005年冬季开始连续3个季度的监测记录，剔除数据不全日期后的汇总数据分析可得出如下几条规律：

3.1 地埋管地源热泵冬夏运行时，土壤温度的变化很小，但是2006年1月7El比2005年1月7日的土壤温度有明显的升高，这证明了地埋管地源热泵的热平衡是长期运行特性的反应。而且距离地埋管换热器中心越远，土壤温度受地埋管换热器的影响越小，并且温度值越接近土壤的初始温度越稳定。

3.2 夏季土壤温升比冬季土壤温降更为明显，沿竖直地埋管换热器半径方向的衰减也更为迅速，这说明夏季空调负荷强度大于冬季。

3.3 地埋管地源热泵运行一年后，各层土壤的温升为1.5～2℃，从冬季运行数据来看，距离地埋管换热器中心越近温升越明显。可以预测，对比不同周期年夏季运行工况中得到的测试数据将呈现距离地埋管换热器中心越近温升越大的趋势。而这两种趋势可以导致周期年后地埋管地源热泵系统的冬季制热效率稍有提升但夏季制冷效率明显下降。

4 展望

地源热泵技术具有节约能源、保护环境的优势，地埋管地源热泵是建筑空调冷热源的合理可行的方案之一。它的市场竞争力主要取决于系统研发的深度与广度、设计与施工质量、产业化程度以及系统造价。不同地区、不同地质条件、不同能源结构及价格决定着该系统初投资的高低及其经济性。该技术在推广应用过程中还有一些问题需要解决，设计、施工和运行都需要进一步规范。但同时也必须看到，我国具有应用地源热泵技术的广阔市场与条件。近年来，地埋管地源热泵技术正在得到政府的大力支持，已经在国内越来越多的地方开始得到推广应用，因此地源热泵技术的应用前景十分广阔。

5 结语

通过对新时期下，地源热泵系统的问题分析，进一步明确了地埋管的发展方向，为地源热泵系统的优化完善奠定了坚实基础，有助于提高地埋管的水平。

参考文献

[1] 蔡颖玲，张华，陈帅.不同埋深换热器地源热泵冬季供暖实验研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2010.