关于土壤源热泵系统中土壤热平衡问题的探讨

文新征 甄平福

关于土壤源热泵系统中土壤热平衡问题的探讨

文新征 甄平福

（信息产业部电子综合勘察研究院 陕西西安 710054）

结合工程实例对土壤源热泵系统中影响土壤热平衡的主要因素作了分析，并提出了解决土壤热平衡问题的几种常见的方法。

土壤源热泵系统；土壤热平衡；成因分析；解决方法

前言

地源热泵系统是一种利用浅层地能资源（包括土壤、地表水及地下水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。[1]

土壤源热泵系统是地源热泵系统的一种形式，它是以浅层土壤中的热能资源为热源，由以水或水溶液为传热介质的热泵机组、土壤换热器系统、建筑物内系统共同组成的空调系统。土壤源分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源：在冬季，把地下土壤中的热量取出来，转化为高温高位热后，供给室内采暖；在夏季，把室内的热能取出来，释放到地下土壤中去，从而实现室内制冷的效果。

1 土壤热平衡问题的产生

土壤源热泵系统利用土壤换热器系统从地下土壤中提取温差能，在建筑物空调系统运行中，因为夏冬两季空调总的负荷状况以及其运行时间存在差异性，致使土壤换热器系统在夏季向土壤中累计释放的热量与冬季从土壤中累计汲取的热量产生差异，系统中这种长时间的取放热量的不平衡会逐渐堆积，最终会超过土壤源自身对热量的扩散能力，造成其区域内土壤原有初始温度的不断改变，并导致土壤换热器系统内循环介质的温度随之变化及其系统整体运行效率逐年下降，从而引发土壤源热泵系统土壤热平衡问题。

2 土壤热平衡问题成因分析

2.1 土壤热平衡问题的影响因素

土壤换热器的传热过程在实际中具有复杂性及非稳定性，其传热形式主要表现为土壤导热，同时还包括了土壤空隙中空气及水的动态热传变化，因此土壤性状（初始温度、热物性及含水量）、埋设管道（材质、尺寸）、热传介质特性（流体物性、流速、流量）等因素都会影响单个土壤换热器系统的传热过程。同时，当多个土壤换热器同时存在时，又会对系统中土壤统一位置出产生温度场的叠加效应，引起该处土壤温度变化。另外，空调系统负荷动态变化及其运行的季节性停开，都会导致土壤温度的不断升降变化。由于土壤散热是在空间足够大的大地中进行，所以要保持系统中全年的土壤热平衡，就得使设计能保持每年空调系统从地下土壤中取放的热能差不超过土壤本身的散热能力。但实际中，当项目区域、土壤源特性以及建筑物功能等客观因素已经确定时，真正能够影响该项目土壤源热泵系统土壤热平衡的因素主要为以下几方面：

（1）准确的建筑动态负荷特性预测；

（2）土壤换热器系统的设计；

（3）土壤源热泵系统运行策略的设计；

（4）施工管理及施工质量；

（5）后期运行管理水平。

2.2 工程实例分析

以下是结合工程实例对土壤源热泵土壤热平衡问题的影响因素作一具体的分析：

2.2.1 工程概况

某科技大楼工程，建筑面积为32000m2，设计采用土壤源热泵空调系统。

2.2.2 建筑动态负荷特性预测因素

（1）建筑空调负荷主要因素

该建筑空调负荷主要因素为：①室内热扰（包括人员、灯光和设备等）。②围护结构传热。③新风负荷。在这几个因素中，室内热扰及其动态变化过程对建筑负荷的影响作用最大。同时，由于在变风量系统中，新风随人员密度的变化而变化，因此新风负荷和室内热扰的变化过程密切相关。可见，合理地预测建筑动态负荷特性关键在于室内热扰的参数设定及其动态变化设计上。[2]

（2）全年动态负荷软件模拟分析

现利用建筑能耗模拟软件DeST对该工程全年动态负荷进行模拟分析计算，可得到该科技大楼全年冷（热）负荷逐时变化无因次曲线（图1）和单位体积新风冷（热）负荷逐时全年变化曲线（图2）。

图1 科技大楼全年冷（热）负荷逐时变化无因次曲线

图2 科技大楼单位体积新风冷（热）负荷逐时全年变化曲线

图中横轴表示全年8760h。图1中表明，热负荷主要出现在11月中旬至第二年的3月中旬，并在1月上旬达到最大值，冷负荷全年都存在，并在7月中旬达到最大值；图2中表明，在4月下旬至9月下旬这段时间内，以新风冷负荷为主。

可见，只需估计单位建筑面积的最大负荷，便可以通过建筑负荷的无因次曲线，获得全年逐时单位建筑面积的负荷，并可根据自己的需要得到全年累计及冬夏季累计等数值；同理，如果确定了该建筑的设计新风量，便可以通过单位体积新风冷热负荷逐时变化曲线得到全年的新风负荷逐时变化量。经过一系列分析计算后，可获得该科技大楼夏季设计最大总冷负荷为3100kW，冬季设计最大总热负荷为1900kW。

（3）全年动态负荷峰值条件下土壤源热量差估算

经年度制冷、供暖季后热泵系统夏季向土壤排放的最大热量与冬季从土壤获得的最大取热量的差值为：

其中，Q冷-夏季设计总冷负荷，kW；Q热-冬季设计总热负荷，kW；

EER-设计工况下热泵机组的制冷系数；COP-设计工况下热泵机组的供热系数。

综上分析，建筑负荷的动态变化性及季节运行的差异性都会导致土壤源的热平衡问题。

2.2.3 土壤换热器系统的设计因素

该建筑土壤换热器系统主要由竖向地埋管、水平环路集管、循环水泵及循环介质（水或加冷冻剂的水溶液）构成。土壤换热器系统设计的关键问题是土壤源的换热能力，而建筑物全年动态负荷、岩土体的热物性质、地埋管规模和布设方式以及传热介质特性等因素都会影响该系统的换热效果[3～4]。因此，土壤换热器系统的设计计算具有特殊性及复杂性，针对该工程采用了专用的地下环路设计软件GLD进行了分析计算。

本项目设计在冬季土壤换热器全部承担空调热负荷1900kW，在夏季土壤换热器供水温度7～12℃，负荷1800kW的那部分空调冷负荷，夏季15～19℃高温冷水负荷1300kW由冷却塔来承担。

（1）地埋管的布设及连接设计方案

经过GLD分析软件的计算，竖向地埋管参数配置见表1。为了保证土壤换热器系统运行的安全性，水平环路连接采用集管式方案，局部示意见图3。

表1 竖向地埋管参数配置表

图3 水平环路集管式连接示意图

（2）模拟软件分析计算结果

现输入流体、土壤、管道、型式热泵及备选冷却塔等设计参数，在假设模拟时间为15年的条件下，对土壤换热器系统进行模拟运行，计算结果见表2。

表2 计算结果

从表2模拟分析计算结果可得出：15年后土壤温度变化较小，仅为0.6℃。由此表明，科学合理的土壤换热器系统设计也关系着土壤源热泵系统的土壤热平衡性。

2.2.4 土壤源热泵系统运行策略的设计因素分析

该项目土壤源热泵系统运行策略情况见表3。

事实表明，土壤源热泵系统科学合理的运行策略，不仅能保证系统正常安全的工作，更重要的是有利于土壤源温度的恢复和热平衡，并实现了经济节能的效果。

表3 土壤源热泵系统运行策略

2.2.5 施工管理及施工质量因素

该项目在施工前先制定了科学合理有效的施工组织设计方案，其内容主要包括了施工内容、施工进度、具体实施技术操作流程及相应的保证措施。整个施工过程严格做到有计划、有步骤、有阶段、高效率、高质量，从而在施工管理及质量上完全保证整个土壤源热泵系统正常及高效的运行。

2.2.6 后期运行管理水平

该项目系统不仅仅需要优秀的设计、优质的施工，还需要优良的后期运行管理和维护，才能让系统发挥最佳的使用效果，延长使用寿命，从而大大节省投资费用和运行费用。为此，系统的后期运行管理工作由专业的运行管理人员来承担，并严格执行系统运行的相关规章制度，全天候监测、检查、记录，若发现问题及时解决。

综上，结合工程实例阐述了影响土壤源热泵系统土壤热平衡问题的主要因素，它们之间相互联系、相互作用、相互影响，并共同构成了土壤源热泵系统，因此，要从根本上解决土壤热平衡问题，关键是处理好影响系统的每个因素和环节。

3 土壤热平衡问题的解决措施

要解决项目系统土壤热平衡问题，首先要从其影响因素着手综合分析考虑，制定科学合理的系统化策略方案。为此，针对一确定项目，首先需要准确预测建筑动态负荷特性，进而优化土壤源热泵系统的设计，并保证优良的施工质量及后期规范化的运行管理。常见的具体方法及优劣性比较见表4。

表4 常见土壤热平衡问题解决方法对照表

4 结论

在地源热泵系统的设计、施工及运行管理中，能否科学合理的分析与解决土壤热平衡问题至关重要，影响土壤热平衡的因素除了建筑动态负荷特性、土壤换热器系统、土壤源热泵系统运行策略、施工及运行管理水平，在复杂多变的现实情况下还可能碰到其它的问题，因此，在实际解决土壤热平衡问题中，应从系整个系统的角度出发，全方位、多层次的分析研究，寻求更优、更有效的解决途径。

[1]孙晓光，林豹，王新北.地源热泵工程技术与管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]陆亚俊，马最良，皱平华.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]《地源热泵系统工程技术规范》（2009年版）（GB50366-2005）.

[4]胡建平.土壤源热泵系统设计方法[J].暖通空调，2005，2（17）：82～85.

TU831

A

1004-7344（2016）27-0204-02

2016-9-8

文新征（1978-），男，工程师，本科，主要从事岩土工程工作。