地源熱泵熱平衡分析及優化控制研究

方燕 陳鳳

1.兗礦東華建設有限公司地礦建設分公司 山東鄒城 273500

2.山東廣大工程設備有限公司 山東濰坊 261000

在地源熱泵中，借助熱泵，可實現對冬天大地熱能的提升，為建筑提供熱量。通過轉移大地溫度，完成冷量存儲，可應用在夏天。受到夏天溫度較高的影響，熱泵能夠將建筑內熱量導向地下，實現建筑降溫。總體而言，地源熱泵系統可以完成對地表淺層的利用，在高效節約方面優勢顯著[1]。

1 地源熱泵熱平衡分析

基于地源熱泵，其主要通過利用地熱換氣，提取地表淺層溫差能，借助熱泵機組，實現對熱源的擴散，完成對熱源向周圍的擴散。在熱泵系統常年運行的情況下，要想實現有效利用地表淺層熱能，在熱能提取、放出的過程中，應加大對土壤源熱泵熱平衡問題的重視度。以我國實際情況作為出發點，我國國土廣闊，針對區域不同，存在氣候差異較為顯著，因此，在我國相當一部分區域，建筑物均會出現地表淺層冷熱不平衡的情況特別是在我國西北地區，在建筑物中，其地表冷熱負荷相對較大，因此，在常年進行熱量提取、放出工作的過程中，應切實落實熱量平衡工作，以免形成熱堆積情況，造成土壤熱失衡。同時，針對土壤熱失衡，當該現象發生后，難以通過土壤自身運動修復。在嚴重的情況下，將會導致無法得到土壤能量的提取，完成相應的循環、利用工作[2]。

圖1 地源熱泵運行圖

以運行原理角度出發，地源熱泵主要作用于地表淺層中，完成對熱能的提取和放出，實現夏季制冷、冬季供熱。借助地源熱泵，其既能夠在夏季運行，同時還能夠在冬季運行，具有交替性。結合設備使用，地表土壤既是能源載體，同樣還是重要的傳遞介質。借助埋管，實現對溫度的傳遞，根據埋管鋪設的路徑，實現對熱量的擴散。圍繞鉆孔半徑范圍，基于土壤溫度降低、升高而言，無論是鉆孔熱擴散半徑，還是自身熱擴散體積，均在其中起到十分關鍵的作用。在地表土壤中，其被視為一種儲能體，負責儲存能量，但是要想實現能量的擴大，將切實擴大儲存體積，使土壤溫度在變化幅度方面呈現出降低趨勢。因此，相關工作人員應落實對鉆孔位置的選擇，通過合理把控間距，避免出現埋管之間互相干擾的問題。另外，還要注意溫度疊加情況，以免造成土壤溫度變化幅度較高。在常年工作的情況下，地源冷熱負荷存在明顯較大現象，將會加大熱平衡出現的可能性，進而形成熱堆積。在熱堆積出現后，土壤在冷熱溫差方面將會進一步加大，造成生態環境受到影響，這一問題也是相關工作人員關注的重點所在。結合我國相關區域，在生態環境中，大地熱流與其關聯性十分密切。在區域內大地熱流較高的情況下，則區域生態環境較為良好，生態體系十分完善。圖1為地源熱泵運行圖。

2 地源熱泵熱平衡優化控制

2.1 提高工作人員認識

以從業人員展開分析，應做好對地源熱泵的正確認識。在本質上，相當一部分工作人員在地源熱泵機的認識方面，將其作為地表淺層熱能交換的一種操作，可完成對建筑物的制冷、供熱。認為地熱是恒溫熱能，取之不盡，用之不盡。但是結合實際操作，相關工作人員應明確要想實現熱源平衡，將保持抽取熱量與釋放熱量的一致性。這也是當前地源熱泵設計、使用的重要方法，可有效實現對土地弱勢問題的改善。同時，針對夏季、冬季在負荷上存在較大差距的地區，應將相關輔助設備充分考慮在內，使地下埋管熱量降低。以我國南方地區為例，對比冷、熱負荷，其冷負荷相對較高，因此，以冬季負荷情況作為參考，應做好對埋管長、深度的計算，在必要的情況下，可另外設置冷卻塔，確保地源熱系統不會影響到地下熱能。

2.2 地埋管換熱器密度提升

結合地表淺層，應切實落實地源熱泵產生影響的降低，可以地埋管換熱器密度作為出發點，優化其布置面積的增加。但是在實際工作中，受到占地面積、工程預算的影響，將會造成布置面積難以得到有效增加。近年來，樁基埋管技術的應用逐漸廣泛化，可以實現對埋管面積不足的解決。具體分析其原理，可將地下U型管換熱器進一步埋入到建筑混凝土樁基中，實現埋管面積的擴大，同時，借助樁基，在周邊土地中，能夠得到有效換熱[3]。

3 結語

目前，在建筑空調中，地源熱泵可作為冷熱源，其系統相對較為復雜，存在成本高的缺點。但是就運行而言，其費用相對較低，在節約能源方面效果顯著。近年來，我國在保護環境、節約能源等方面重視度較高，因此，地源熱泵的應用前景十分良好。