地源热泵热平衡问题分析与工程应用

王伟

摘要地源热泵系统运行其实是利用大地的蓄能来达到地源热平衡，又因为环保高效能、成本费用低等优点，在全世界范围内得到了大力的推广与应用，在地源热泵系统不断应用中出现了问题，地源热泵因常年运行存在着吸排热不平衡的问题，导致热堆积从而引起性能下降。本文从地源热泵热平衡问题以及地源热泵运行对生态环境的影响进行阐述，并从热平衡问题影响因素出发，最后提出相应地源热泵热平衡问题的对策。

关键词地源热泵；热平衡；问题分析；工程应用

地源热泵冬季通过热泵将大地中的低位热能提高，对建筑供暖，同时使大地中的温度降低，即蓄存冷量以备夏季使用。夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时在大地中蓄存热量，以备冬季使用。地源热泵系统主要用地下水或地表水与岩土作为低温热源，地源热泵系统分别由水源热泵机组、地热能交换系统与建筑物内系统组成。地源热泵系统主要是利用地表浅层储存能源，这种能源不会受地理位置的限制，可以无限循环的利用。这种能源叫可再生能源。利用这种可再生能源的地源热泵技术具有节约能源、高效利用、运行成本低等好处。

1地源热泵热平衡问题

1.1地表浅层冷热负荷不平衡

地源热泵是由地热换热器通过提取地表浅层的温差能，然后经过热泵机组把热源与热汇扩散到自己周围范围内的地表。所以常年运行利用地表浅层热能的地源热泵系统就需要考虑常年从地表浅层提取热能和放出热能的平衡问题。这就是我们常说的土壤源热泵热平衡问题。由于我国地区在气候上差异明显，尤其是西北区域更是差异明显。这就导致我国大部分区域建筑物地表浅层处于冷热负荷很不平衡，使建筑物地表常年处于冷热负荷较大的状态，甚至会因为常年对地表进行提取与放出热量不一致，形成我们所说的地下土壤“热堆积”，其实就是土壤热失衡。如果出现这种问题的发生，那么这样的大地土壤就很难自身修复，甚至会造成大地土壤内能量无法再循环以及利用，这就是造成土壤热失衡的主要原因，这样客观的因素是难以改变的。如果大地土壤长期在“热堆积”下运行，往往会超出土壤自身的扩散热量的能力，最终会造成大地土壤内的温度与原始温度逐渐偏离，可能会造成地表浅层温度会不断升高或降低，从而使热泵机组在夏季运行时，制冷效果和效率严重下降，最终会影响热泵机组的运行效率。

1.2地源热泵的设计问题

地源热泵可以利用地表浅层提取热能和放出热能的规律进行运行，夏季能够使地表建筑能够制冷冬季能保温。地源热泵在夏季与冬季交替运行中，地表土壤就成为能源载体和传递介质，在温度变化上，是由埋管附近沿着路径逐向外扩散，单位钻孔在热扩散半径与自身扩散体积对半径范围内的土壤温度降低或升高的幅度是非常重要的这是因为土壤自己是一个巨大的蓄能体，在储存能量时，蓄能体积会不断的增大，从而降低大地土壤平均温度的变化幅度。所以在一定间距内合理的布孔，就不会在各埋管之间发生热干扰现象，还能避免温度在不断的叠加，这样也缓解了大地土壤温度不断急剧下降或升高的状态。地源热泵常年处于冷热负荷较大的状态运行，很容易造成热平衡问题，热平衡问题会引发“热堆积”从而使大地土壤冷热温差不断增大，给生态环境造成很大的影响。这样的问题一直备受大家的重视，据相关数据表明：各个生态环境的好坏都与各自周边的大地热流有着紧密的联系，在大地热流较高的区域生态环境就比较好，生态体系越完善，生态环境就越好。而在大地热流较低的区域生态环境就比较差，大地热流的高低直接影响一个区域的地表生态系统，生态系统能量的降低，会影响一个区域的生态系统的多样性，从而影响该地区生态系统的稳定性。地源热泵系统会大地热流的脉动，大地热流的波动会影响一个地区的降水分布还有该地区的干湿程度。从而造成该地区的温差逐渐变大，从而对地表的生态系统带来巨大的影响。

2地源热泵热平衡的对策

2.1正确认识地源热泵

首先要了解和正确认识地源热泵的本质，有些人往往会认为地源热泵其实就是利浅层进行热能交换来实现采暖空调目的的技术，是“取之不尽，用之不竭”的恒温热能。其实我们应该把“恒温带”的热能作为“蓄能体”，就是从地下提取多少热能，就放出多少热能，以此来保证热源的平衡，这个已经成为当前正确设计与使用系统唯一解决方法。解决土地热失衡问题的关键。还有就是对冬季与夏季的负荷差距较大的区域，首先要考虑是否要加装辅助冷热源设备，以此来消除或减少地下埋管所放出的热能，尤其是我国北方那些热负荷大于冷负荷的区域，可以根据夏季的冷负荷来设计埋管深度与长度。来辅助对太阳能或锅炉或太阳能作为补充的热能。在我国南方那些冷负荷大于热负荷的区域，就要按照冬季负荷来计算埋管深度与长度，来辅助对热回收技术或者冷却塔来减少地源热系统对地下土壤的热能的影响。

2.2减小地埋管换热器

为了减小地源热泵对地表浅层的影响，首先是要减小地埋管换热器的密度，增加地埋管换热器的布置面积，很容易受到实际情况限制，最近几年出现的桩基埋管技术，在一定程度上可以解决埋管面积不足的情况就是把地下U型管换热器深埋在建筑物混凝土桩基当中，从而使埋管面积扩大，也可以通过桩基和周边的土地形成一种换热，进而在减少其钻孔与埋管的施工费用。最终配合桩基地埋管换热器来减少占地面积。建筑桩基都有自己的不同构造可以让桩基与U型管紧密贴合，从而减少了他们之间的阻力，最终强化大地土壤的传热的功能。

3地源热泵热工程应用

本文选取位于某地区写字楼建筑的地源热泵热工程作为研究实例，首先要给写字楼建筑在电脑上建立一个模型，按功能进行区域的划分，然后按楼体的使用的类型进行划分，然后依据该写字楼的建筑图为参照物，用DeST软件建立建筑模型。然后依据各种数据参数进行参照对比，比如围护结构热工参数、室外设计参数、室内设计参数等，然后在电脑用清华大学DeST负荷模拟软件进行模拟，可以按照该写字楼建筑图与空调设计参数，在DeST负荷模拟软件建立一个建筑负荷模型，然后开始对该写字楼进行全年空调逐时动态负荷模拟，最终得到该写字楼全年的逐时负荷。从数据中发现一般的舒适性空调系统在实际运行过程中，在不需要供冷暖内情况下，是不会在供热季节出现制冷的情况，在过渡季节有时也要开启机组来调节冷热负荷。从全年逐时负荷的模拟结果来看，进行一个合理的修正可以让模拟结果更加符合实际结果。最后还要遵循当地原则，通过修正之后的负荷逐时图，要对修正后的负荷逐时图进行分析，发现在7、8月空调负荷最大，空调供暖期最大负荷出现在12月至2月。根据逐时负荷计算，该建筑的设计热负荷小于设计冷负荷，这样会造成空调设计负荷不能承受最大负荷，而导致不能连续工作，因此，在部分负荷状态下了解系统运行特点对提高系统运行是非常有必要的。

4结束语

综上所述，本文从地源热泵热平衡的问题以及地源热泵运行对生态环境的影响分别进行阐述，并从热平衡问题影响因素出发，以工程实例为依据进行一个有效的分析，最后在此基础上提出了几点完全建议，希望能为相关人士提供些许参考。