地埋管地源熱泵系統的熱平衡

魏佳

摘 要：地埋管事地源熱泵系統的核心。文章首先闡述了地源熱泵系統的定義及分類，然后探討了地埋管地源熱泵的工作原理，最后對某地埋管地源熱泵土壤溫度變化實測進行了分析。

關鍵詞：地埋管；地源熱泵系統；熱平衡

近年來，地源熱泵系統不斷發展壯大，在其發展的過程中存在一些問題和不足需要改進，在建設社會主義和諧社會的新時期，加強地埋管地源熱泵系統的熱平衡的探索，對地源熱泵系統的發展有著重要意義。

1 地埋管地源熱泵的工作原理

地埋管地源熱泵系統是以淺層土壤為熱源，通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低品位向高品位熱能轉移的熱泵空調系統。冬季供暖時，通過熱泵把大地中的熱量升高后對建筑物供暖，同時使大地的溫度降低，即蓄存冷量，以備夏季使用；夏季制冷時，通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以備冬季使用。該系統一般包括三個環路：地埋管換熱器環路、熱泵機組環路及空調末端裝置環路。

2 土壤熱平衡的特征

2.1 土壤熱平衡的時間尺度。土壤熱失衡問題與地埋管地源熱泵的運行過程緊密相關，但是它所針對的并不是系統某個夏季運行中的土壤溫升或冬季運行中的土壤溫降，而是運行一個周期年之后土壤溫度與初始土壤溫度的變化，以及連續運行多年后土壤熱堆積對系統運行特性的影響。因此，分析土壤熱失衡問題的時間尺度應該是系統壽命周期內以年為單位的離散點。1年的土壤累計溫升可能只是1℃的量級，對熱泵機組和系統效率影響不大，但是如果處理不當，5年或10年后的溫升就會較高，造成系統運行情況明顯惡化。

2.2 土壤熱失衡問題的影響因素。空調季節地埋管換熱器內的逐時負荷輸入造成土壤溫度波向遠離地埋管換熱器壁面方向傳遞，但對于遠離其壁面不同距離處有不同的峰值衰減和時間延遲，此時，土壤是熱泵的熱源或熱匯，熱量是通過地埋管換熱器內的強制對流逐次傳遞給土壤的。而過渡季節空調停運時的土壤熱擴散則是自然傳熱過程，地埋管換熱器附近的土壤由于其儲熱向遠處擴散而造成自身溫度緩慢趨于初始值。可見土壤的熱平衡是個復雜多變的過程，量化分析有理論上的困難，但更為麻煩的是復雜的分層地質差異、多變的地下水含量與流速、長期運行空調逐時負荷的變動等諸多微觀因素，使得貼近實際情況的模擬軟件模型搭建困難，如此長模擬時間對于實際情況的偏差也難以控制。但排除地埋管換熱器換熱效果的影響，土壤熱失衡問題應從冬夏空調負荷情況、地埋管換熱器的問距、地埋管換熱器系統構成和實際運行情況幾方面進行分析。空調負荷差異是土壤熱失衡問題出現的根源，但是對于具體項目這是確定的和難以改變的，而系統構成和間距則在設計中可以調整和優化，后期運行管理是落實設計中技術措施的關鍵環節。設計合理的系統如果管理運行不當，也會造成全年熱失衡或季節局部土壤熱平衡不利，因此地埋管地源熱泵的熱失衡問題應該主要通過優化設計和規范管理來共同解決。

2.3 土壤溫度變化的趨勢分析。地埋管換熱器周圍的土壤溫度變化總是由內向外逐層傳遞，任何一點的逐時溫度主要由冬夏季節兩條周期性變化的日平均溫度波的相位和波幅疊加決定，同時還受空調間歇運行造成的多條逐時溫度波變化影響。因此，全年在以地埋管換熱器中心為半徑的各層土壤的溫度變化規律大致相同，可以近似認為是多組以年為周期波動的正弦曲線。地埋管換熱器靠近管壁處土壤的溫度波動幅度較大，豎直地埋管換熱器半徑方向上各處溫度振幅迅速衰減，這是因為土壤換熱作為管內強迫傳熱和管外自然傳熱的一種復合傳熱過程，其熱阻主要是管外的土壤熱阻，因此土壤對傳熱的波峰衰減和時間延遲就顯得非常明顯。

當夏季工況結束時，地埋管換熱器周圍土壤溫度場并沒有馬上進入恢復階段，而是按照該處土壤滯后的相位溫度繼續逐次升高，直至達到該處波峰，這個相位的延遲越遠，離地埋管換熱器需要的時間越久。這說明土壤自身的熱擴散和溫度恢復能力是比較差的，原因在于土壤本身的熱阻要高于管內對流熱阻和管壁的熱阻，因此隨著散熱半徑的增大，地埋管換熱器總熱阻迅速增大，土壤完全依靠自身擴散取得熱平衡所需的恢復時間增長。同時由于土壤溫度的傳遞是動態的，需要認真分析不同地埋管換熱器溫度波的疊加，比如夏季剛開始運行時，地埋管地源熱泵的散熱效果是比較好的，但如果持續運行，當不同地埋管換熱器的溫度波開始疊加而互相影響后，就會出現冷卻水溫度升高和系統效率下降的情況，此時土壤溫度將進入快速上升期，此后地埋管地源熱泵的持久運行特性將變差。

因此應根據需要合理設定地埋管換熱器的布置間距，如能適當增加地埋管換熱器鉆孔的深度，也將有利于提高地埋管地源熱泵系統的持久運行特性。

3 某地埋管地源熱泵土壤溫度變化實測分析

測試項目位于武漢市，地埋管地源熱泵系統為總建筑面積38000m2的約200戶小高層住宅居民提供空調冷熱源。項目設計夏季冷負荷為1560kW，冬季熱負荷為1000kW，地埋管換熱器安裝于2002年，共采用240個70m深的地埋管換熱器，鉆孔間距為4m。該地埋管地源熱泵系統設有輔助冷卻塔，但系統從2004年夏季開始運行至今，由于尚未出現冷卻水溫度持續超過設計值，因此冷卻塔從未投入使用。本文整理了該系統從2005年冬季開始連續3個季度的監測記錄，剔除數據不全日期后的匯總數據分析可得出如下幾條規律：

3.1 地埋管地源熱泵冬夏運行時，土壤溫度的變化很小，但是2006年1月7El比2005年1月7日的土壤溫度有明顯的升高，這證明了地埋管地源熱泵的熱平衡是長期運行特性的反應。而且距離地埋管換熱器中心越遠，土壤溫度受地埋管換熱器的影響越小，并且溫度值越接近土壤的初始溫度越穩定。

3.2 夏季土壤溫升比冬季土壤溫降更為明顯，沿豎直地埋管換熱器半徑方向的衰減也更為迅速，這說明夏季空調負荷強度大于冬季。

3.3 地埋管地源熱泵運行一年后，各層土壤的溫升為1.5～2℃，從冬季運行數據來看，距離地埋管換熱器中心越近溫升越明顯。可以預測，對比不同周期年夏季運行工況中得到的測試數據將呈現距離地埋管換熱器中心越近溫升越大的趨勢。而這兩種趨勢可以導致周期年后地埋管地源熱泵系統的冬季制熱效率稍有提升但夏季制冷效率明顯下降。

4 展望

地源熱泵技術具有節約能源、保護環境的優勢，地埋管地源熱泵是建筑空調冷熱源的合理可行的方案之一。它的市場競爭力主要取決于系統研發的深度與廣度、設計與施工質量、產業化程度以及系統造價。不同地區、不同地質條件、不同能源結構及價格決定著該系統初投資的高低及其經濟性。該技術在推廣應用過程中還有一些問題需要解決，設計、施工和運行都需要進一步規范。但同時也必須看到，我國具有應用地源熱泵技術的廣闊市場與條件。近年來，地埋管地源熱泵技術正在得到政府的大力支持，已經在國內越來越多的地方開始得到推廣應用，因此地源熱泵技術的應用前景十分廣闊。

5 結語

通過對新時期下，地源熱泵系統的問題分析，進一步明確了地埋管的發展方向，為地源熱泵系統的優化完善奠定了堅實基礎，有助于提高地埋管的水平。

參考文獻

[1] 蔡穎玲，張華，陳帥.不同埋深換熱器地源熱泵冬季供暖實驗研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2010.