地源熱泵系統設計中的若干問題探討

摘 要:地源熱泵系統涉及多方面內容，以地埋管式為例，在設計的時候要著重考慮土壤的熱響應、換熱器長度等問題，同時設計的時候要兼顧土壤的冷熱平衡，以確保系統的長期可靠運行。

關鍵詞:地源熱泵熱響應換熱器冷熱平衡

中圖分類號:TU1文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0137-01

隨著國民經濟的高速發展，我國能源供需矛盾愈加突出，因此，我們國家十分重視能源的循環利用、綠色、環保。而地源熱泵技術作為一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物供暖及制冷新技術也越來越受到關注。這項技術在歐美已經過長期的發展歷程，有著成熟的理論和系統，但在我國卻剛剛起步，在實際應用中仍然有一些問題需要加以深入研究和探討。

1 地源熱泵系統的工作原理及優勢分析

地源熱泵系統是指以土壤、地下水和地表水作為熱源，由地源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物系統組成的供熱、供冷空調系統。在制熱狀態下，熱泵機組通過地下的水路循環吸收地下水或土壤里的熱量，傳至冷凝器，冷凝器產生熱水通過循環水泵送至空調末端設備對房間進行供暖。在制冷狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環將熱泵機組排放的熱量帶走，由此產生的冷水，通過循環水泵系統送至空調末端，對室內空間進行供冷。這種系統利用的是清潔能源，不會對自然界的能量系統造成不利影響，不會產生多余的碳排放，環保效果顯著;并且，功能齊全，運行可靠，既可以用來供暖、也可以用來制冷，并且還能提供生活熱水。

根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統可以分為分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。其中，地埋管地源熱泵系統由于對水環境擾動較小，應用的最為廣泛，因此，我們接下來的分析將以地埋管地源熱泵系統為主。

2 地源熱泵系統設計中相關問題探討

2.1 土壤的熱響應測試問題

不同的地理位置，其土壤的導熱系數也不相同，這會使得換熱器的效果也存在著一定的差別。因此，設計之前，必須首先要知道土壤的導熱系數。目前，確定土壤的導熱系數有兩種方法，即經驗值估算法和熱響應測試法。前者誤差較大，在實際應用中已逐步淘汰，后者是通過加熱循環水方式將熱量釋放到地下，記錄進/出水溫度、流量以及加熱功率來計算土壤的相關的導熱系數，這種方式相對來說比較嚴密，但在實際應用也存在著較大問題，并直接影響了測試結果并進而對設計產生了一定的誤導作用，其主要表現如下:

(1)忽視了流速不同產生的換熱量不同。相關資料表明，進水溫度一定，熱流量與流速呈正比關系，但當流速增快時，熱流量的變化率逐漸變小，與此同時，流速的增加會增加循環水泵的功耗，因此，不同的工程應當都存在著一個最佳的設計流速。為此，在進行土壤熱響應測試的時候，應具有整體的觀念，要從整個系統的角度來設計，提供不同流速下的每延米孔深換熱量，以便于計算經濟流速和地埋管換熱孔的總長度。

(2)計算每延米孔深換熱量的時候忽視了季節及施工因素的影響。地源熱泵系統工程的時間跨度相對比較短，一般只有1～3個月，因此，不可能在夏季和冬季都進行熱響應測試，有時甚至由于受整個建筑工程施工進度的制約，還會在春季和秋季這樣的不需要空調系統的季節進行測試。盡管豎直埋管的深度通常都達到90～120m，在地下30m以上一般溫度不會受季節的影響，但是在地下0～30m處，土壤的初始溫度隨著季節的變化而呈現出周期性變化。同時鉆孔機械散熱也會改變土壤的初始溫度。所有的這些都會導致測試結果與實際運行有所差別。因此，地埋管施工后，要等到土壤的溫度恢復至正常水平才能進行測試，同時，在測試的時候還需要結合當地的地址氣象資料確定每延米孔深的取熱量和放熱量。

2.2 換熱器長度問題

換熱器是地源熱泵系統設計的核心內容，其內容涉及埋置方式、埋管位置、管材材料、管道長度等多方面內容。由于建筑物全年累計的冷熱負荷通常是不均衡的，因此，必須根據建筑物的主要功能來確定換熱器的長度。對此，目前應用的比較廣泛的是采用半徑公式為主的設計計算方法，這種方法的步驟為確定埋管的平面布置，計算巖土及鉆孔內的熱阻，確定熱泵的最高和最低進水溫度，計算供熱和供冷的運行份額，計算地埋管換熱器鉆孔總長度。但采用這種方式往往會使得系統的最大放熱量與最大吸熱量之間相差過大。因此，在我們的設計中，所采用的工程公式為:

供冷工況:

(1)

供熱工況:

(2)

式中:

Lc—制冷工況所需長度;Lh—供熱工況所需長度;Qc—額定制冷量;Qh—額定制熱量;Fc—制冷運行系數;Fh—供熱運行系數;tmax—冷凝器最高進液溫度;EER—制冷能效比;tmin—蒸發器最低進液溫度;COP—制熱能效比;t0m—地表面年平均溫度;Rb—鉆孔熱阻;Rq—土壤熱阻。

具體步驟如下:

(1)根據建筑物功能需要及結構尺寸，確定其冷熱負荷。

(2)計算地表年平均溫度t0m，以此確定機組的最大進液溫度tmax以及最低進液溫度tmin。

(3)地埋管相關參數，如鉆孔直徑、管材質料及規格，埋管方式等。

(4)確定地埋管換熱器的放熱量及吸熱量。

(5)根據建筑物的逐時冷熱負荷以及制冷和制熱量計算出Fc和Fh。

(6)計算管內流體流速。

(7)分別計算土壤熱阻Rq以及鉆孔熱阻Rb。

(8)根據式(1)(2)計算地埋管換熱器在制冷和供熱狀況下的所需長度Lc及Lh。兩者中取較大的為設計長度。

經過實際比較，筆者認為這兩種方式當中采用后一種方式更為合理。

2.3 土壤的熱平衡問題

目前對于土壤的熱平衡主要有兩種觀點。一種觀點認為，地源熱泵夏季不斷向土壤排放熱量，冬季不斷從土壤中取出熱量。當排放的熱量和吸取的熱量不能平衡，隨著時間的累積就會導致系統不能正常制冷或制熱。因此，必須加以輔助設施以確保土壤的熱平衡以使得系統能夠正常運行。另一種觀點認為土壤的冷熱堆積問題可由土壤自身的熱傳導來加以平衡，無須額外加以輔助設施，在系統設計的時候主要考慮的是系統的最大負荷。在這兩種觀點之間，筆者更傾向于前一種觀點，因為地源熱泵豎直埋管的深度一般為90～120m，有30m的埋管處于外熱層，60～90m的埋管處于恒溫層，即67%以上的埋管處于恒溫層。由于地殼的傳熱系數很小，也即，依靠地殼自身，很難達到冷熱均衡，必須要采取一定的人為措施加以干預。

3 結語

地源熱泵系統是一項涉及多方面學科的地能利用技術，也因此，對系統運行穩定性影響的因素也是多方面的。其設計的關鍵問題則是土壤本身的熱響應以及埋管長度問題，同時在設計的時候必須要考慮其長遠的運行，必須要兼顧土壤的冷熱平衡問題。