淺談地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化研究

房子鈺

沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院（110168）

能源是社會不斷進(jìn)步與發(fā)展的動力。隨著人類生活水平的不斷提升，我們對能源的需求量也在不斷增加。建筑能耗在社會總能耗中占有很大的比重，而暖通空調(diào)作為建筑能耗中重要的部分也受到了很多關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵這項(xiàng)無污染可再生能源的技術(shù)得到了大力的推廣與應(yīng)用。

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

地源熱泵系統(tǒng)起源于瑞士，這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)末期的歐美國家就已經(jīng)趨于完善，并開始了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)的研究從21世紀(jì)開始在政府多項(xiàng)政策的支持下，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在近些年得到了迅速的發(fā)展。

2 地埋管地源熱泵的優(yōu)點(diǎn)

地埋管地源熱泵又稱土壤源熱泵或土壤耦合熱泵。相對于以地下水和地表水為熱源的系統(tǒng)，地埋管地源熱泵系統(tǒng)以土壤為低溫?zé)嵩矗沟孟到y(tǒng)具有了以下的優(yōu)點(diǎn)。

地埋管系統(tǒng)主要利用地下土壤中的可再生能源地?zé)崮埽虼讼到y(tǒng)在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)建筑夏季制冷與冬季供暖的雙向需求，還可以在熱泵系統(tǒng)理想狀態(tài)下的運(yùn)行期間通過自然補(bǔ)償?shù)姆绞絹砘謴?fù)土壤的溫度。

垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的鉆井深度一般為40～200 m不等，而地表5～10 m以下的土壤溫度已經(jīng)基本上不再受到季節(jié)及氣象變化的影響，土壤的溫度場處于長期平穩(wěn)的狀態(tài)。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備在地下，這樣就大大節(jié)省了緊張的地上土地資源。同時(shí)地源熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，夏季制冷冬季制熱，多余的熱量還能用于提供生活熱水，節(jié)省資源，經(jīng)濟(jì)高效[1]。

3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化研究

現(xiàn)行的地埋管系統(tǒng)大多分布在北方寒冷地區(qū)，冬季供熱所需的熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季制冷期所需的冷量，而系統(tǒng)在這種冷熱負(fù)荷不均的情況下長期運(yùn)行導(dǎo)致了地下土壤的冷堆積。相反在熱帶地區(qū)，夏季所需冷量更多，在長期運(yùn)行過后地下土壤會產(chǎn)生熱堆積。這種土壤溫度的不平衡性會影響機(jī)組的運(yùn)行效率，不斷增加的功耗使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性降低，甚至?xí)?dǎo)致地埋管系統(tǒng)運(yùn)行失效。近些年學(xué)者們不斷研究，提出了以下幾種解決方案。

3.1 增大鉆孔間距

增大鉆孔間距本質(zhì)上是通過增大整體地埋管管群所占的巖土體積來增大地埋管區(qū)域的總熱容量，但是這種會增大占地面積的方法并不適用于土壤資源緊張的地區(qū)[2]。

3.2 間歇運(yùn)行系統(tǒng)

間歇運(yùn)行是通過頻繁開關(guān)系統(tǒng)以達(dá)到土壤自主恢復(fù)的目的，因此控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮工程所在地區(qū)，選取合適的機(jī)組啟停比及運(yùn)行起止時(shí)間。這種方式是以地下土壤溫度場的溫度來判斷是否運(yùn)行系統(tǒng)，而不是以建筑內(nèi)人們的實(shí)際需求來設(shè)定。間歇運(yùn)行系統(tǒng)與連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)相比會較難滿足室內(nèi)人體舒適度。

3.3 復(fù)合式系統(tǒng)

復(fù)合式系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求的變化將單一的地?zé)崮芘c其他能源耦合。如在冷負(fù)荷大時(shí)采用地源熱泵+冷卻塔復(fù)合系統(tǒng)，而在熱負(fù)荷大時(shí)采用地源熱泵+太陽能負(fù)荷系統(tǒng)。這種復(fù)合系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是整體的運(yùn)行策略比較復(fù)雜，系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)也較為煩瑣。

3.4 分區(qū)運(yùn)行

將地埋管系統(tǒng)劃分成幾個(gè)區(qū)域，再將系統(tǒng)運(yùn)行期按照負(fù)荷大小劃分為幾個(gè)階段。在負(fù)荷較小的階段只運(yùn)行部分地埋管，以此減小地下土壤的平均溫度，達(dá)到長期穩(wěn)定運(yùn)行的目的[3]。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使用可再生清潔能源已經(jīng)成為節(jié)約能源的重要舉措。地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為高效利用地?zé)崮艿臒岜孟到y(tǒng)之一，在國家及社會環(huán)境的支持下正在飛速發(fā)展，在學(xué)者們不斷研究探討中完善理論、技術(shù)及設(shè)備，從而提升綜合效率。