淺談土壤源熱泵節(jié)能措施

許本亮張萍(.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.浙江理工大學(xué))

淺談土壤源熱泵節(jié)能措施

許本亮1,2張萍1(1.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.浙江理工大學(xué))

目前隨著人們對建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求的不斷提高，各種類型的暖通空調(diào)系統(tǒng)得以大范圍的推廣開來，然而在能源日益緊缺的大時代背景下，迫使暖通空調(diào)系統(tǒng)向節(jié)能性方向發(fā)展，通過技術(shù)上的創(chuàng)新來利用可再生能源替代短缺能源，而土壤源熱泵系統(tǒng)就是應(yīng)運(yùn)而生的可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)之一。然而土壤源熱泵由于面世時間較短，系統(tǒng)并沒有得到最大化完善，目前影響地埋管束換熱效率的因素包括管徑、鉆孔直徑與鉆孔間距、管內(nèi)流體及進(jìn)出口溫度、管材、埋管方式及深度、土壤深度等[1-3]。下面就幾個主要影響因素以及有關(guān)提高土壤源熱泵換熱效率作簡要介紹。

土壤源熱泵;節(jié)能;措施

1 前言

目前隨著人們對建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求的不斷提高，各種類型的暖通空調(diào)系統(tǒng)得以大范圍的推廣開來，然而在能源日益緊缺的大時代背景下，迫使暖通空調(diào)系統(tǒng)向節(jié)能性方向發(fā)展，通過技術(shù)上的創(chuàng)新來利用可再生能源替代短缺能源，而土壤源熱泵系統(tǒng)就是應(yīng)運(yùn)而生的可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)之一[4]，土壤源熱泵系統(tǒng)的室外換熱系統(tǒng)利用地埋管束與地下水儲存的地?zé)崮苓M(jìn)行熱量交換，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的要求的。它不僅減少了電能的使用量，充分使用地?zé)崮茉矗夷軠p少污染物的排放，緩解城市熱島效應(yīng)，環(huán)保又清潔。

然而土壤源熱泵由于面世時間較短，系統(tǒng)并沒有得到最大化完善，首先是系統(tǒng)初期投資通常較大，使用壽命較短，并且隨著使用年限其供暖制冷效果會逐漸變差，并且受到不同地區(qū)的能源政策所約束。

2 土壤源熱泵工作原理簡介

一個典型的土壤源熱泵系統(tǒng)主要由地埋管換熱系統(tǒng)、室內(nèi)換熱系統(tǒng)以及空調(diào)控制系統(tǒng)三大部分組成，其原理與傳統(tǒng)空氣源熱泵差別不大，具體原理見圖1，箭頭A和B所構(gòu)成的循環(huán)回路是土壤源熱泵系統(tǒng)與土壤熱能之間換熱的回路，換熱介質(zhì)為水，箭頭C與D所構(gòu)成的循環(huán)為土壤源熱泵系統(tǒng)與室內(nèi)空調(diào)機(jī)組末端之間換熱的回路，其換熱的介質(zhì)為空氣也可以是水[5]，不同季節(jié)之間回路轉(zhuǎn)換可通過系統(tǒng)內(nèi)部的閥門Y1-Y4來控制，具體轉(zhuǎn)換詳見圖中表格。

圖1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖

3.1 管徑

通常來說，在限定流量相同的條件下，管徑的的不同改變會引起管道內(nèi)工質(zhì)參數(shù)等的相應(yīng)變化，對于一個土壤源熱泵系統(tǒng)，還會影響相應(yīng)的地埋管的換熱面積，從而進(jìn)一步影響其換熱量。實(shí)際上地埋管管內(nèi)流體與管外土壤之間的熱交換是一個復(fù)雜的不可逆過程。

實(shí)際工程當(dāng)中地埋管管徑不宜過大，否則會導(dǎo)致管內(nèi)流體流速過小，不利于換熱，一般而言，流體的流態(tài)以湍流為宜。當(dāng)然，地埋管直徑也不宜過小，否則管內(nèi)流速會偏大，不僅會導(dǎo)致地埋管阻力過大使得水泵能耗增加，又會導(dǎo)致?lián)Q熱過程不充分，影響換熱效率。根據(jù)《熱源熱泵工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2009)，雙U 土壤換熱器內(nèi)流速不宜低于0.4m/s，單U 土壤換熱器內(nèi)流速不宜低于0.6m/s。通常，設(shè)計(jì)中管段單位長度的水頭損失宜小于0.04 m/m[6]。

3.2 埋管深度

土壤源熱泵地埋管深度是整個系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，埋管較淺則對鉆機(jī)要求比較低，可以節(jié)省成本，并且換熱土壤層與大氣距離近，換熱速度快容易恢復(fù)熱平衡，但是會導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，并且通常需要鉆較多的鉆孔從而占用較大的面積。埋管較深則與淺埋相反，其換熱效率高，占用面積小，缺點(diǎn)則是鉆孔較深使得初期投資偏大，且對系統(tǒng)性能要求較高，同時由于深層土壤熱恢復(fù)性較差，溫度場容易受到土壤源熱泵換熱的影響，長期吸熱放熱的不平衡會影響土壤源熱泵的使用壽命。為了規(guī)避深埋和淺埋的缺點(diǎn)，盡量結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在工程項(xiàng)目上普遍采用中埋的方式，即敷設(shè)深度介于30m-60m之間[7]。

3.3 埋管形式

土壤源熱泵地下埋管一般大多采用垂直埋管方式，將換熱管束安裝到鉆孔中。垂直埋管形式一般分為單U形管、雙U型管、螺旋式盤管、大口徑螺旋式盤管、立式柱狀管、套管式管等形式[8]。當(dāng)前較為常用的是U形管式、套管式和單管式，

(1) U型管式

由于換熱性好，管路簡單可靠，施工簡單，因此在垂直埋管方式中，U型管的應(yīng)用最多，一般安裝在直徑為100-150mm，深40-150m的鉆孔內(nèi)，垂直U型地埋管的布置形式有兩種，空調(diào)系統(tǒng)的末端負(fù)荷較小時，則U型管換熱器所需長度則較短，埋管數(shù)也相應(yīng)較少，在系統(tǒng)末端負(fù)荷較大的情況下，所需的U型管長度則較長，并需考慮U型管束群的布置問題，通常情況下通過一個集水器匯集各個鉆孔中的地埋管。然后經(jīng)環(huán)路干管接入系統(tǒng)控制中心。

對于土壤源熱泵地埋管的敷設(shè)，通常地埋管群的設(shè)置形式會影響換熱效率。通過對一個36鉆孔的土壤源熱泵系統(tǒng)的研究中，當(dāng)?shù)芈窆芪鼰岱艧崞胶鈺r，地埋管束的設(shè)置類型與形式影響不明顯，而當(dāng)?shù)芈窆芪鼰崤c放熱不平衡時，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置類型形式對換熱器的影響很大，水力半徑越小，系統(tǒng)的換熱效率越高[9]。

(2)套管式地埋管的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為15mm～25mm。相對于U型管式地埋管束，套管式地埋管的外徑較大，其換熱面積也相應(yīng)增大，因此換熱量較高，不足的是鉆孔直徑較大，從而導(dǎo)致初期較大，且管道敷設(shè)難度也相應(yīng)較大，所以只用在深度在30以內(nèi)的豎直埋管。此外，在套管式地埋管敷設(shè)過程中，其套頭部分最好由工廠定制加工并現(xiàn)場裝配，以確保精密度。

(3)單管式地埋管通常用在地下水源熱泵系統(tǒng)。只需在地下水位以上挖一個直徑150mm的孔，采用一根出水管和一根回水管連接熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，由于換熱后的水直接排放到地下水中并且系統(tǒng)的運(yùn)行需要地下水資源，因此受到資源的限制并且相關(guān)國家政府法規(guī)不允許。

3.4 回填材料

回填材料也是影響土壤源熱泵換熱器換熱性和系統(tǒng)效率的比較重要的因素[10]，將地埋管置于地下鉆孔中，然后填充回填材料以固定地埋管設(shè)備并增強(qiáng)其于與土壤的換熱，在施工過程中，需要根據(jù)實(shí)地情況，選擇比較合適的回填材料，一般而言好的回填材料通常環(huán)保無污染，穩(wěn)定性好，比較耐久，并且能夠增強(qiáng)地埋管換熱器的換熱能力，從而間接減少初期投資，也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通常在鉆孔施工中，主要考慮回填材料與土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，可以將鉆孔過程中排出的巖土回填通常可以保證與原土壤一致的導(dǎo)熱系數(shù)，但是這些土壤在挖出后已經(jīng)受到了不可逆的微觀變化，因此不能達(dá)到回填理想狀態(tài)。工程上應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)稍大于土壤導(dǎo)熱系數(shù)并且與地層相近的材料進(jìn)行回填。

3.5 不同區(qū)域

在土壤源熱泵的安裝過程中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場的土壤環(huán)境做針對性的專業(yè)設(shè)計(jì)，需要考慮的因素有土壤特性(熱擴(kuò)散率、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、土壤含水量等)、地理及氣候特性。在土壤源熱泵換熱器與土壤進(jìn)行熱量傳遞的過程中，導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱性能越大，反之則越小，而土壤含水量較高也會使得換熱效率變高，減少能耗，此外針對土壤含水量的特性，需要考慮在隨著換熱進(jìn)行，土壤中的水分也會隨著熱濕傳遞的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土壤傳熱性能下降[11]，這種情況下則需要適當(dāng)補(bǔ)充土壤的水分。

4 土壤源熱泵節(jié)能高效強(qiáng)化傳熱技術(shù)措施

4.1 地埋管換熱系統(tǒng)的優(yōu)化

(1)回填材料強(qiáng)化傳熱

相應(yīng)國外的研究表明，在實(shí)際工程中，采用一定比例混合而成的超可塑水泥沙可以大幅度提高導(dǎo)熱系數(shù)[12]，而向回填材料中添加導(dǎo)熱性較好的物質(zhì)也可以相應(yīng)提高導(dǎo)熱效率，如石墨、二氧化硅等，而國內(nèi)有關(guān)技術(shù)科技人員在研究土壤源熱泵的強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，在地下水位年變化較大或者比較干旱的地區(qū)，不適宜采用膨潤土作為回填材料，因其換熱效率低且失水后易收縮產(chǎn)生裂隙[13]，不利于換熱。

(2)地埋管各項(xiàng)參數(shù)

a，管徑，從投資角度可選大管徑以減少費(fèi)用，從初期投資上考慮選擇盡量偏小管徑，從而保證紊流增加換熱效率，綜合考慮可以選擇管壁薄，管徑適中的地埋管；b，管內(nèi)液體，南方一般以水為流體比較適宜，而北方氣溫較低必須使用防凍液，防凍液一般需要具有成本低，導(dǎo)熱性好，安全無毒等特性，在實(shí)際工程中，需根據(jù)實(shí)際情況使用防凍液；c，埋管材料形式，相關(guān)研究對單雙型地埋管實(shí)驗(yàn)比較中得出雙U型管具有更高的換熱效率，在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，新型3式管具有更加優(yōu)異的傳熱能力，在對地埋管形式的研究中得到的結(jié)論則是：在地埋管外部設(shè)置換熱元件能有效提高換熱效率[14]。

(3)運(yùn)行方式優(yōu)化控制

運(yùn)行方式主要指運(yùn)行控制策略，有關(guān)學(xué)者針對土壤源熱泵地埋管束在非飽和土壤下的工況做了相關(guān)比較性研究，結(jié)果表明，在持續(xù)100天的研究中，每個實(shí)驗(yàn)組對應(yīng)的換熱效率在初始都比較高，而隨著時間的推移，換熱效率逐漸下降，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是土壤源熱泵地埋管與土壤的不斷換熱破壞了土壤層原先較為穩(wěn)定的溫度場，使得土壤溫度升高而減小了換熱效率，在另一組比較性實(shí)驗(yàn)中，得到結(jié)果是間歇性運(yùn)行的系統(tǒng)換熱效率顯然高于連續(xù)性運(yùn)行模式，因?yàn)殚g歇性運(yùn)行模式能使土壤溫度層得到部分的復(fù)原[15]。因此，合理的運(yùn)行策略能夠控制土壤溫度層的變化情況，進(jìn)而提高地?zé)崮艿睦寐剩欣谡麄€系統(tǒng)的長效運(yùn)行.

(4)地下水滲流強(qiáng)化傳熱

地下水滲流對土壤源熱泵換熱效率的影響主要來自兩方面，其一是可以增強(qiáng)地埋管換熱器的換熱效率，有關(guān)研究表明，地下水滲流的增加會使得土壤源熱泵地埋管單位面積換熱量升高，提高換熱效率，二是減輕系統(tǒng)由于冷熱負(fù)荷的不平衡問題給土壤帶來的不利影響，在有關(guān)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析中表明，一定流速的地下水滲流，能較大范圍降低由于系統(tǒng)冷熱負(fù)荷不均引起的土壤溫度場不平衡效應(yīng)，在同樣條件下有地下滲流的土壤源熱泵地埋管系統(tǒng)周圍土壤溫升明顯小于無地下水滲流的土壤[16]。因此，在實(shí)際工程中，需對工程所在實(shí)際地質(zhì)進(jìn)行調(diào)研分析，選擇適宜的土壤區(qū)域，從而強(qiáng)化土壤源熱泵的傳熱。

4.2 地上系統(tǒng)的優(yōu)化

輔助散熱對改善地埋管換熱效果的理論分析：土壤源熱泵主要采用土壤溫度來作為熱泵系統(tǒng)的熱源，雖然其具有充分利用地?zé)峥晒?jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在熱傳遞緩慢以及土壤熱堆積等問題，使得土壤溫度場平衡發(fā)生變化。為減弱甚至消除這種熱不平衡，緩解地埋管換熱器部分出現(xiàn)的熱堆積現(xiàn)象[15]，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢更好實(shí)現(xiàn)節(jié)能性，可以在系統(tǒng)中添加冷卻塔、余熱鍋爐、蓄冷槽、生活熱水器等輔助平衡冷熱負(fù)荷的設(shè)備，以提高系統(tǒng)的換熱效率.

5 結(jié)論

在能源緊缺環(huán)境問題日益嚴(yán)重的時代背景下，土壤源熱泵越來越受到重視，地埋管強(qiáng)化傳熱也成為其核心問題，國內(nèi)外專家學(xué)者也紛紛進(jìn)行相關(guān)研究。本文主要總結(jié)了土壤源熱泵地埋管存在的問題以及提高其換熱效率的技術(shù)措施，其中影響土壤源熱泵地埋管的換熱效率的因素主要有管徑、埋管深度、形式、回填材料、土壤填埋區(qū)域，在實(shí)際工程中要根據(jù)不同的地域土壤氣候條件選擇合適的地埋管系統(tǒng)參數(shù)形式，針對地埋管的存在的問題也提出相應(yīng)的強(qiáng)化傳熱措施，包括回填材料強(qiáng)化傳熱、地埋管系數(shù)、運(yùn)行方式優(yōu)化、地下水滲流強(qiáng)化傳熱等五項(xiàng)措施，一定程度上可以提高地埋管的傳熱效率并且具有可行性也已應(yīng)用到實(shí)際工程中取得了良好的效益。當(dāng)然由于地下傳熱仍然是一個不能完全掌握的過程，因此仍然需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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許本亮(1984- )，男，河南商丘人，助教，浙江理工大學(xué)博士在讀，研究方向：建筑節(jié)能。