1、1地埋管地源热泵系统的热平衡摘要：随着社会的发展与进步，我们越来越多的关注地埋管地源热泵系统的热平衡，地埋管地源热泵系统的热平衡对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍地埋管地源热泵系统的热平衡的有关内容。 关键词；地埋管；地源热泵系统；热平衡；问题 ； 中图分类号：TH3 文献标识码： A 文章编号： 规划环评是指对政策、规划及其替代方案可能产生的环境影响进行规范的、系统的综合评价，并把评价结果应用于负有公共责任的决策中。它是为了针对项目环评的缺陷而提出的。项目环评自 20 世纪 60 年代在西方发达国家提出并实施以来，在控制和减少环境污染和生态破坏方面发挥了重要作用，但是其不足也日益明显
2、。建设项目处于整个决策链（战略政策规划计划项目）的末端，因此项目环评只能做修补性的努力。对单个项目的认可或否决，并不能影响最初的决策和布局。而环境问题在人们着手制定政策、规划时就已经潜在地产生了。 一、土壤热平衡问题的由来 地埋管地源热泵依靠地埋管换热器从地下土壤中提取能量, 虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤, 但地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量一般并不一致, 这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力, 造成其温度不断偏离初始温度, 并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降, 2这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。地埋管地源热泵
3、周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果, 都对系统持续稳定运行不利。如果地埋管地源热泵系统承担全部空调负荷, 大多数情况下其全年的取放热量不平衡, 在我国部分地区可能表现为散热量多于取热量。这主要是由于供冷季、供暖季持续时间和负荷强度有明显差异, 而且夏季土壤还要承担制冷机组和水泵等设备散热造成的。地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程, 它以土壤导热为主, 但同时还包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热, 因此土壤的热物性、含水量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个地埋管换热器的传热过程产生影响。地埋管换热器
4、群中特定位置的土壤温度变化还受临近位置多个地埋管换热器温度波在该处迭加的影响。空调运行期间, 周期性变化的负荷输入加上过渡季节空调系统的停运, 引起了地埋管换热器周围的土壤温度场总处在升温降温升温的循环变化过程中。土壤的散热包括两方面, 一方面为地下水迁移带走的热量, 另一方面为土壤的热传导所带走的热量, 散热的对象都是大地, 由于大地本身具有足够大的容积, 所以只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力, 就可以保持全年的热平衡。 二、土壤热平衡问题的危害 2.1 热平衡问题对热泵运行的影响 根据建筑热工我国可分为 5 个区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖
5、地区和温和地区。由于巨大的地域差异，使得大部分地3区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大。而近年来地埋管地源热泵系统的数量和规模不断增加，形式多采用在一定区域密集布置的竖直单 U 甚至双 U 型地埋管换热群，近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置地埋管换热器群的新方式，这些密集型竖直埋管的方式虽然能较好地适应中国地少人多的国情,但是也带来地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡问题,它已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。 地埋管换热器地埋管地源热泵周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果,都对系统持续稳定运行不利。Rottmayer S P 等5
6、做的相关研究表明，夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量均衡时孔深不随运行时间变化,不均衡时地埋管换热器换热性能下降，随运行时间的延长所需的设计孔深呈对数曲线增大。 综上所述，热平衡问题对热泵长期运行特性有明显影响，由于土壤热阻高于管内对流热阻和管壁的热阻，加上持续运行后地埋管温度波的叠加使土壤温度恢复时间增长，出现冷却水温度升高（降低）和系统效率下降，土壤温度持续改变,此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。2.2 热平衡问题对生态环境的影响 地埋管地源热泵热平衡导致的土壤温度变化不仅影响地埋管换热器性能，对热泵的稳定运行产生影响，使效率降低甚至无法正常运行。而且地源热泵长期
7、运行造成的热堆积改变土壤温度，对土壤的性质产生影4响并危及到土壤的生态环境。另外，热泵在温度控制方面优于传统的煤炉或电炉，使得热泵在果蔬培育尤其是反季果蔬培育中得到越来越广泛的应用，使得我们必须关注地源热泵的长期运行对土壤环境的影响，这直接关系到农业生态系统的平衡。 三、土壤热失衡的解决方法 地埋管地源热泵的热失衡问题并不是技术上的难题, 完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。解决的方法在于减小地埋管换热器群的密集度和冷热负荷的不平衡率, 前者可以通过增大地埋管换热器布置的间距、减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行, 而后者可以通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技
8、术减少夏季排热等措施实现。相比较而言, 减小地埋管换热器群的密集度需要增加地埋管换热器布置面积, 因而其实施受实际情况限制, 但对于系统持久安全运行更有用。采用系统调峰等措施可以将土壤温升控制在一定范围内并获得较好的经济性, 但合理的调峰比例需要根据空调负荷情况作技术经济分析确定。 目前地埋管换热器制冷和制热的出力一般按照持续稳定 24 h 后的土壤热特性测试结果作为参考依据进行设计, 虽然这些测试数值考虑了系统连续运行后的效率下降, 但不能反映地埋管换热器组群之间的互相影响, 因此实际使用当中要进行修正。有调峰的复合式系统的整体经济性更好, 因此条件具备时应该优先考虑作为解决土壤热失衡的主要
9、措施。但是应该注意调峰系统同时也提高了剩余地埋管换热器的使用频率, 因此调峰后土壤承担的冬夏负荷不宜相差过大。利用带热回收功能的地埋5管地源热泵机组提供生活热水, 在冬季增加了地埋管地源热泵系统的取热负荷, 在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热, 在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热, 这对缓解土壤热失衡非常有益, 同时也可以提供廉价的生活热水, 对有生活热水需要的项目也是非常适合的一个技术手段。此外, 条件适合时还可以采用以下技术手段缓解土壤热失衡问题: 1) 将地埋管换热器与热泵机组对应设置成多个回路 , 轮流使用, 部分负荷时优先使用地埋管换热器布置的周
10、边回路, 以延长地埋管换热器的温度自然恢复时间, 避免中心局部过热。 2) 在地埋管换热器布置场地中心位置布置温度传感器, 对空调季土壤温度进行实时检测, 当土壤温升超过规定数值后, 启动调峰系统运行。条件合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统, 以确保地埋管地源热泵系统处于较好的控制和调节状态。 3) 地埋管地源热泵即使不采用复合式系统, 也可以预留冷却塔位置和接口, 以保证如果持续运行出现土壤温升超出控制范围, 启动冷却塔辅助冷却。 4) 对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统, 或者在空调不运行的夜间将冷却塔和地埋管换热器串联使用以冷却
11、地下土壤, 可以很好地解决热失衡问题, 并不影响系统经济性。 我国的地埋管地源热泵运行时间不长, 尚未暴露出土壤热失衡的严重后果。但鉴于我国快速发展的地埋管地源热泵市场和高度密集的竖直6埋管方式, 土壤热失衡问题必须引起足够重视, 没有土壤热平衡方案的地埋管地源热泵系统持续运行数年后存在出现效率下降和持续运行效果变差的巨大风险。 参考文献 1程艳涛,王根绪,张春敏,长江源区高寒草甸植被覆盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响J. 地理地质,2006. 2李世清，任书杰，李生秀.土壤微生物体氮的季节性变化及其与土壤水分和温度的关系J.植物营养与肥料学报 2004. 3于明志,方肇洪,李明钧.土壤冻结对地热换热器传热的影响地理地质J. 山东建筑工程学院学报,2001. 4王庆鹏.地下水渗流对地源热泵影响的研究D.北京：北京工业大学, 2007 年 6 月. 5马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用M.机械工业出版社,2007. 6 徐伟，郎四维地源热泵工程技术指南M. 中国建筑工业出版社, 2001
