土壤源熱泵技術應用中熱失衡問題的分析及解決

李彥英

摘要：針對土壤源熱泵技術在實際工程應用中出現的熱失衡問題進行具體分析，并結合工程實際情況。提出問題解決方案。

關鍵詞：土壤源熱泵 熱失衡 太陽能

土壤源熱泵技術是利用大地溫度相對穩定的特性，對建筑物供熱制冷的節能環保技術。土壤源熱泵的工作原理是，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用：夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用。

土壤源熱泵由于需要在恒溫土壤中提取或釋放熱量，對于年平均冷熱負荷不均衡的地區，由于土壤中地埋換熱器對土壤取放熱量不一致，導致土壤不能靠自身的恢復能力保持地溫場溫度，從而偏離初始溫度，出現逐年上升或下降的趨勢。即出現土壤熱失衡問題。出現熱失衡的熱泵項目長期運行會降低熱泵機組的換熱效率，影響熱泵機組的穩定和經濟性。熱失衡也會影響地區的大地熱流及生物生長，最終影響整個區域生態環境。所以保持土壤地溫場的熱平衡，使地溫場恢復或接近初始溫度是熱泵項目長期運行的關鍵，也是保護生態環境的要求。熱失衡問題在采暖期長的北方尤其明顯。

土壤熱失衡問題的控制方法，一般最簡便易行的方法是利用熱泵既能供熱又能制冷的功能，對建筑物進行夏季制冷，在不平衡率20%以下時，由于土壤本身具有一定的熱擴散能力和蓄熱能力，熱量不平衡對熱泵的運行影響不大，不需要采取措施。當熱平衡率相差較大（20%以上），則需要采取輔助措施：輔助供熱和輔助冷卻方式。

以實際工程為例，工程為北方的某住宅區，建筑面積25000m2，為兩幢7層樓房，節能保溫墻體，室內末端為地板輻射采暖，住宅區采用土壤源熱泵系統供暖，系統運行形式為單供暖，熱泵機組的供熱功率1 100KW，土壤換熱指標30W/m。地埋換熱器由220個120米深單U型地埋管組成，沿樓房四周設置，呈長方形。工程2010年底投入運行，至2016年采暖期，地溫場從16度降A9度，平均每年降低1度。本工程存在熱失衡問題，如不解決，該土壤源熱泵供暖系統的效率會逐年降低，最終將會影響整個系統的正常運行。

本工程熱泵機組供熱功率1100KW，熱泵機組的COP值為3.5。需從地溫場提取熱量786kw，即使每年日照的熱補償量占土壤取熱量的20%，由于單供暖，夏季冷負荷為0kw，冷熱不平衡率也遠超過20%，這也是地溫場每年降低的原因。

針對本工程地溫場溫度降低的情況，應用輔助供熱方式。一般輔助供熱方式有以下幾種：

方式1：用太陽能一地源熱泵系統。太陽能系統與土壤源熱泵系統聯合運行時，通過閥門的啟閉，實現4種運行方式：（1）直接利用太陽能供熱；（2）太陽能與熱泵機組的冷凝器串聯運行；（3）太陽能加熱地埋管換熱器；（4）太陽能直接進入熱泵機組蒸發器。

方式2：增加輔助電加熱器。這種方法簡單直接，比較實用。

方式3：利用太陽能跨季節蓄熱。系統由太陽能集熱器、蓄熱水箱連接原熱泵系統，夏季利用太陽能集熱器蓄熱至水箱，冬季提取地溫場及水箱熱量為建筑物供熱。

以上幾種方法對本工程來說均具可行性，三者相比較，方法2需新增電輔加熱器，方法3，受小區內空間限制，蓄熱水箱的位置無法確定，只有方法1最具可行性，此小區每戶均安裝有太陽能，把太陽能系統與土壤源熱泵系統相連接。冬季，在供暖初始時，在室外溫度較高的情況下，采暖負荷較小，此時，經過太陽能加熱后的供水溫度較高，若供水溫度高于45℃，關閉太陽能系統與地源熱泵系統連接的閥門1、2、3、4、7，開啟閥門5、6，理論上可以利用太陽能集熱器直接供暖。對本工程來說，280戶家用太陽能集熱器總供水量34t，不滿足系統供水量要求。因此選擇太陽能系統接入土壤源熱泵系統的地埋管換熱器，與土壤源熱泵系統串聯運行，即關閉閥門5、6、7，打開閥門1、2、3、4，開啟熱泵機組，經過太陽能集熱器加熱后的水再經過地源熱泵系統的熱泵機組提升后，供給末端，這樣既加熱土壤的溫度，同時又提高熱泵機組蒸發器側的進水溫度，提高了熱泵機組的效率。

太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行原理圖如下圖所示：

鑒于本工程地溫場溫度降低，夏季用太陽能集熱器加熱地埋管換熱器，同時關閉用戶側，循環地源側，向土壤釋放熱量，儲存熱量。本工程所在小區共280戶，按每戶太陽能面積2m2計算，共計560m2，夏季儲存的熱能也相當可觀。按夏季土壤地埋管每延米吸熱量65w/m計算，吸熱量Q1=120*220*65=1716kw

本工程年采暖需熱量按每天運行1 2小時計

供暖需熱量Q2=786*12*120=1131840kw，Q2/Q1=660h

即太陽能一土壤源熱泵系統運行660h可補充一年的土壤取熱量，理論上一個采暖季可恢復將近兩年的地溫場溫降，再加上夏季蓄熱提高地溫場溫度，運行下來，恢復地溫場溫度效果會比較顯著，所需費用也較低。

結語：土壤源熱泵技術是一項無污染排放，可再生能源利用的環保技術，其應用會越來越廣泛。為避免應用過程中出現地溫場熱失衡，在設計階段如何維持地溫場的熱平衡就是這項技術能否成功應用的關鍵。endprint