地源熱泵系統土壤熱失衡優化方案研究現狀

耿德皓

(沈陽建筑大學,遼寧 沈陽 110168)

0 引 言

隨著時代的發展,資源匱乏狀況不容樂觀,大量消耗一次能源使環境惡化問題日益嚴重,溫室氣體和有害氣體的排放加劇了環境破壞,以常規能源為主的世界能源結構導致化石能源燃料儲備的枯竭和污染。

如圖1所示,我國一次能源消費總量逐年上升,《中國統計年鑒》數據顯示,2019年我國一次能源消費總量為4.87×109t標準煤,與2015年相比,增加了13.4%。

圖1 2015—2019年一次能源消耗變化圖

清潔可再生能源的利用已成為國家安全、全面、協調、可持續發展的重大戰略問題。在“十四五”規劃中,國家將大力發展和開展地熱能和其他清潔能源的利用。地熱能是一種清潔、低碳、分布廣泛、資源豐富、安全和高質量的可再生能源。地熱能的開發和利用具有持續穩定的能源供應、高效循環和可再生利用的特點,并可減少污染的排放,改善環境質量,在清潔能源開發和使用中占有重要地位。地源熱泵是使用電能將低品位的可再生能源轉化為高品位的熱能,進而對建筑進行供暖和供冷。在夏季,地源熱泵系統可以通過熱泵將地下的冷量提取出來為末端進行供冷;在冬季,地源熱泵系統通過熱泵將末端的冷量排到地下來為末端進行供熱,其工作原理如圖2所示。

圖2 地源熱泵工作原理圖

使用地源熱泵對節約能源和實現“清潔、低碳、安全、高效”的目標有很大幫助。而對地源熱泵系統對地下的取放熱不平衡就會造成地下土壤溫度的失衡,從而造成熱積累現象,影響地源熱泵高效穩定地運行。本文對消除地源熱泵熱不平衡現象的方法做一綜述。

1 土壤熱不平衡優化方法

熱不平衡現象的發生點在地源側,因而對地源熱泵的埋管長度深度、回填材料、鉆孔間距等因素進行優化可以降低土壤熱不平衡對地源熱泵系統帶來的影響,從而提高熱泵機組的性能系數,使地源熱泵系統高效安全穩定運行,也可以采用復合式地源熱泵,解決土壤的熱失衡問題。在地源熱泵系統的運行策略上,也可以進行優化以達到最優的效果。

1.1 埋管深度

隨著土壤的深度增加,土壤溫度受到地表因素影響越小,土壤的溫度越穩定,地埋管埋于地下的深度越深則換熱能力越穩定,而地埋管的埋深越深則熱量的消除越慢,較小的地埋管埋深,可以有效地降低地源熱泵的熱不平衡現象。余鑫[1]以上海某檔案館為研究對象,對其地源熱泵系統進行長期的運行模擬發現,在不同的埋管深度下土壤的溫升不同,土壤的始溫為18 ℃,系統模擬運行15年后,埋管深度在60 m時,土壤溫升為2.27 ℃;埋管深度80 m時,溫升為2.8 ℃;埋管深度100 m時,溫升為3.33 ℃;埋管深度120 m時,溫升為3.92 ℃。隨著埋管深度的增加,土壤的溫升也隨之增加,這說明較小的埋深更有利于土壤的熱平衡。李少華等[2]以杭州一綜合辦公樓為研究對象,對其地源熱泵系統進行了長期模擬發現,地埋管的埋深在20 m的時候,土壤一年的溫升為0.63 ℃;埋深在40 m的時候,土壤一年的溫升為0.54 ℃;埋深在60 m的時候,土壤一年的溫升更是達到了1.47 ℃。因此合理地設置地埋管的埋深對地源熱泵的高效運行很有必要。

1.2 回填材料

不同的回填材料具有不同的導熱系數,因此,回填材料的類型對于土壤的熱平衡有很大的影響。張玟等人通過對大量文獻的調研得出,通過向回填材料中加入添加劑,可以使回填材料的導熱系數增大。對于水泥來說,當水和灰的比例在0.45的時候導熱性能最好。向回填材料中加入膨潤土,導熱系數先增后降,砂子相比于黏土導熱系數更好。回填材料中含砂量越高,導熱系數越大[3]。

1.3 增加鉆孔間距

不同的鉆孔間距對土壤熱平衡的影響不同,對于地源熱泵的長期運行,鉆孔間距對于土壤熱平衡的影響是不可忽視的。駱祖江等[4]對丹陽城區的一個地埋管地源熱泵系統進行模擬運行,從而探究鉆孔間距對土壤熱平衡的影響。模擬結果發現,在地源熱泵鉆孔間距都為5 m時,運行10年,一到五區的土壤溫升分別為6.9 ℃、10.24 ℃、11.64 ℃、7.44 ℃、6.71 ℃,土壤溫度失衡嚴重,造成了土壤的熱不平衡現象。隨著鉆孔間距的增大,土壤的溫升顯著下降,當一區的間距增加到18 m,系統運行10年土壤的溫升為0.48 ℃;二區間距增加到23 m,土壤的溫升為0.44 ℃;三區間距增加到17 m,土壤的溫升為0.47 ℃;四區、五區增加到20 m,土壤的溫升分別為0.43 ℃和0.42 ℃,熱不平衡的現象得到了有效的解決。鮑謙等[5]對上海某客運站地源熱泵系統的埋管間距進行了研究,對熱泵系統進行建模,結果表明,隨著鉆孔間距的減小,土壤的平均溫度不斷上升,將鉆孔的間距設置在4 m是地埋管運行的最優條件。花莉等[6]對上海市某辦公樓與實驗用樓的地源熱泵系統進行Trnsys建模,系統模擬運行10年,鉆孔的間距由3 m增加到4 m時,土壤的溫升從10.94 ℃降低到7.99 ℃;鉆孔間距由4 m增加到5 m時,溫升降低了1.93 ℃;鉆孔間距由5 m增加到6 m時,溫升降低了1.35 ℃。增加鉆孔間距可以有效地減少土壤熱不平衡現象,但是一味地增加鉆孔間距會造成占地面積的增大,因此在實際工程中還要結合實際去進行設計。

1.4 熱泵機組的間歇運行

地源熱泵機組的間歇運行是在保證空調末端滿足相關的設計參數要求的情況下,讓熱泵間歇運行,這可以讓地溫場有一定的時間去恢復地溫,從而使熱泵機組平穩地運行。趙亞楠[7]通過對山東某學校的地源熱泵進行模擬研究,結果表明地源熱泵的間歇運行相比于連續運行更加節能。熱泵機組的間歇運行對土壤溫度有一定的影響,有利于熱泵機組的高效運行。吳春玲等[8]對天津某辦公樓地源熱泵項目進行了模擬研究,研究發現在不進行優化時,系統連續運行30年,土壤的溫升為12.41 ℃,在對系統進行間歇運行優化研究后,發現運行的起止時間在7—17時地源熱泵的運行最好,連續運行30年,土壤的溫升為5.42 ℃,有效解決了土壤熱平衡的問題,可以使機組高效穩定運行。

1.5 復合式地源熱泵系統

常規的地源熱泵系統在對地下的取放熱不平衡時,會造成土壤溫度的失衡,造成土壤的熱不平衡現象,如果加入輔助裝置使機組向地下的取放熱減少,這還可以降低建設初期地埋管的經費,緩解土壤溫度失衡的問題。

對于夏熱冬冷冷負荷大于熱負荷的地區一般采用冷卻塔等設備進行輔助散熱,避免土壤溫度失衡的現象發生。李瑞豐[9]對冷卻塔輔助地源熱泵系統進行了研究,研究表明,當地埋管的進水溫度與環境溫度溫差大于8 ℃時,開啟冷卻塔輔助散熱;當溫差小于7 ℃時,關閉冷卻塔,可以有效地減少土壤熱不平衡的問題。馬文涓[10]對冷卻塔輔助地源熱泵系統進行了建模,研究發現,在沒有冷卻塔輔助時,地溫上升明顯,加入冷卻塔輔助后,土壤的溫升得到有效的降低。陳大建[11]利用模擬軟件建立了混合式地源熱泵系統模型,得出輔助復合系統適合在夏熱冬冷地區使用;冷卻塔的不同運行時間對系統的長期運行有影響,冷卻塔的運行時間越長,土壤的溫升越小,機組的性能系數越高。趙雙龍[12]對重慶某辦公樓進行了模擬研究,研究表明冷卻塔的輔助運行可很好地解決土壤熱不平衡問題,并且冷卻塔最佳的運行策略是冷卻塔在系統運行的第三年開啟,承擔50%的散熱,并且在冷卻塔的進水溫度高于濕球溫度4 ℃時開啟。程曉曼等[13]通過模擬分析得出,在夏熱冬冷地區制冷期采用夜間利用冷卻塔進行土壤蓄冷可以有效地緩解土壤不平衡現象,系統模擬運行10年,土壤的溫升只有0.8 ℃。

對于嚴寒寒冷地區,熱泵機組對地下的取熱大于排熱,這時候就需要對系統進行補熱以達到土壤的熱平衡。強小倩[14]對沈陽的某教學樓進行了模擬研究,結果表明,采用燃氣鍋爐輔助地源熱泵進行供暖可以保證土壤溫度場的平穩。陳申偉[15]對天津某大學某教室進行了模擬研究,結果表明,聯合供暖有效地解決了土壤熱不平衡問題,并且使系統的性能系數增加了9.1%。王詩蒙[16]對北方的農村住宅進行了模擬研究,利用Trnsy模擬得出結論,以地源熱泵與太陽能聯合供暖可以大幅節約一次能源的消耗,也避免了土壤溫度失衡的問題。丁兆磊[17]利用模擬軟件對太陽能輔助地源熱泵進行了長時間的模擬,得出在只有地源熱泵進行供暖的時候地溫的平均值逐漸下降,當采用太陽能進行輔助供熱后土壤熱不平衡問題減弱,并且在太陽能集熱器的面積為400 m2時系統的運行達到最優。

1.6 系統運行策略優化

對于采用復合式地源熱泵機組的系統,不同的運行策略可以取得不同的效果,在解決土壤熱不平衡問題的同時也可以在最大限度地達到節能目標。通過模擬不同運行策略下地源熱泵聯合輔助設備的運行情況,得到蒸發器冷凝器的進出口水溫、機組的功耗等參數的變化規律,從而找到最優的運行策略。黃新江[18]對夏熱冬冷地區一地源熱泵系統進行優化模擬,得出在地源熱泵單獨運行策略下,運行10年后土壤的溫升達到6.71 ℃,夏季機組的COP為3.48,冬季機組的COP為4.39,不能滿足機組長期穩定的運行。對系統進行優化之后的控制策略為地源熱泵系統的用戶側采用變水溫調節控制,并且開啟冷卻塔采用定時啟停的策略進行輔助散熱。模擬結果表明,在運行策略進行優化之后地源熱泵機組冬季和夏季的性能系數均明顯上升,土壤熱不平衡問題得到了有效解決。朱立東[19]對上海某辦公樓進行模擬研究,得出在將地源熱泵機組地源側冷卻水的進水溫度設置得越低,系統的性能系數越高,土壤的熱不平衡現象越少,當設定冷卻水水溫為29 ℃時為最佳,此時機組的性能系數為4.325;在冷卻塔運行時,最優的控制策略是供回水的溫差為2 ℃時開啟冷卻塔,此時機組的性能系數為4.488,土壤的溫升為1.65 ℃;在過渡季單獨啟用冷卻塔進行散熱,土壤的熱堆積現象得到很好的緩解,在系統運行時,地源熱泵機組的性能系數為4.541,土壤的溫升為0.92 ℃。石維群[20]對地源熱泵的傳熱介質進行了優化,并對不同的進出口溫度對系統的影響進行了分析,得出在夏季高供回水溫度具有可行性,在長時間的運行中,既能維持土壤的熱平衡,也能在很大程度上節省能耗。

2 結 論

地源熱泵對地下的取放熱不平衡造成土壤溫度失衡現象,影響地源熱泵機組的高效運行,造成能源的浪費。本文總結了解決土壤溫度失衡的相關方法,可以運用到實際的工程之中,第一種是對地源側地埋管相關參數進行優化,例如地埋管鉆孔間距、埋深的設定、回填材料的性能系數;第二種是采用混合式地源熱泵系統,增加散熱或補熱設備;第三種在系統運行時采用適當的控制策略,例如對熱泵機組冷卻水冷凍水水溫的控制,對冷卻塔啟停時間的控制,對地源熱泵進行間歇運行控制,對太陽能集熱器的面積控制等,都可以有效緩解土壤溫度的失衡,使地源熱泵高效穩定運行。