地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析

地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析马福一刘业凤（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）摘要通常，地埋管地源热泵年运行的吸排热不平衡，这会导致热堆积，引起系统性能下降。结合浅层地热资源的性质和地域特性，综合分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来，及其对热泵运行和生态环境的影响，并结合热平衡问题的影响因素提出了解决热平衡问题的技术思路。关键词地源热泵热平衡地域特性生态环境MaFuyiLiuYefeng(CollegeofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,P.R.China)AbstractUsually,theannualabsorbingandreleasingloadarealwaysdifferentinGround-sourceheatpumprunningwhichwillleadtoheataccumulation,andtheheatpumpperformancewilldegrade.Basedonnatureofshallowgeothermalresourcesandregionalcharacteristic,thecauseofgroundheatimbalanceinGround-sourceheatpumpisanalyzed.Andheatimbalanceimpactingonheatpumpoperationandtheecologicalenvironmentarealsoanalyzed.Combinedwiththeinfluencingfactorsofimbalance,thetechnicalconsiderationsforsolvingthisproblemisputforward.KeywordsGround-sourceheatpumpHeatbalanceRegionalcharacteristicEcologicalenvironment.0引言地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点[1]。相对于地下水地源热泵和地表水地源热泵，地埋管地源热泵不受地域限制、不污染地下水，不受水文环境地质政策的限制，具有更好的应用前景，近年来作为一种新的空调冷热源在我国发展迅速[2]。深层土壤一年四季相对恒定的温度保证了地源热泵系统的高效节能，但是土壤吸排热不平衡可能造成土壤温度持续变化，不利于热泵的长期稳定运行，也会对生态环境造成一定影响。地源热泵空调系统要获得大规模应用，必须对热平衡问题进行资助项目：上海市重点学科建设（编号：S30503）.联系方式：[e-mail]深入研究。1土壤热平衡问题的产生地源热泵系统并不是一种地热利用系统，它只是将地下下含水层、土坡、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸排热的蓄热体[3]。从地质构造上来讲，地下30-300m间的地层是一个受太阳照射与气温影响和地核导热与对流影响的恒温层，这个恒温层的温度与当地全年平均气温有很好的相关性，但完全不受当地四季气温变化的影响。并且，由于地壳的导热系数小，热容量大，短期内此恒温带的温度恢复不可能由地表太阳照射或深层地热资源来补充。而一般情况下，地埋管换热器与扩散半径范围内的土壤换热过程中，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,加之地源热泵有很强的地域性，刘晓茹[4]以一幢地上二层别墅为例，在假设建筑物采用了相同的围护结构，通过875软件对我国5个典型气候区域代表性城市的全年逐时空调负荷，结果如图1所示。各地都不同程度的存在吸排热不平衡的状况。120.0100.080.060.040.020.00.0-20.0-60.0-80.0-100.0-40.096.088.254.2上海广州齐齐哈尔沈阳北京-26.5-85.0吸排热不平衡率%1)设制热季节能效比=4，制冷季节能效比=3；2)不平衡率=（吸热量-排热量）/吸热量与排热量中较大者100%图1五个代表城市的全年吸、排热量不平衡率比较[4]恒温层作为热泵热源和热汇的蓄热体，这就要求地埋管与扩散半径内土壤的换热要满足地源热泵在一个运行周期内（一年），其吸排热差值不能超过土壤固有的散热能力，否则将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,出现地埋管地源热泵热失衡问题。2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、夏热冬暖地区和温和地区。由于巨大的地域差异，使得大部分地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。RottmayerSP等[5]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。马宏权等[6]对武汉市民用住宅的地埋管地源热泵项目实测了3个季度。发现该项目运行一年后土壤温度有明显升高，各层土壤的温升为1.5～2℃,这种趋势可以导致周期年后地埋管地源热泵系统的冬季制热效率稍有提升但夏季制冷效率明显下降。宋著坤等[7]以天津一幢办公楼的地源热泵项目为实验对象，地下埋管换热器采用U型桩埋管和井埋管两种埋管换热器。设计工况下冬季从土壤吸热平均负荷约为夏季向土壤排热的70%,而从1月5日和8月12日的对比发现,1月5日从土壤吸热的平均负荷仅为8月12日向土壤排热的41%。实际中冬夏两季土壤的吸、排热负荷差值比设计值大。机组性能系数在第二年夏季只有2.98，比额定工况3.75减少了20.5%。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。而且地源热泵长期运行造成的热堆积改变土壤温度，对土壤的性质产生影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[8]。1）土壤温度通过大地热流对生态环境的影响匡耀求等[9]曾对不同热导率的土壤中种植的桉树进行了长期观察，发现长势在2个月后出现明显差异，并随时间推移差异变大。可见土壤热流对桉树的长势产生了显著影响。区域大地热流的高低对区域生态系统的演化有重大的影响，大地热流的高低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限,可能制约一些地区的生态系统物种的多样性,进而影响到区域生态系统的稳健性。存在热平衡问题的地源热泵长期运行可以导致地埋管周围区域热堆积，必然造成地区温度的持续升高或降低。从而影响到大地热流，使地壳表层的正常温度分布遭到破876坏,形成局部地热异常区,进而影响生态环境。2）土壤温度对土壤物性和生物的影响土壤温度是影响冻结土壤入渗能力大小的一个主要因素。在非冻结条件下,土壤温度对土壤入渗能力的影响甚微,但是在冻结条件下,土壤温度是土壤水分发生相变的两大条件之一,对土壤入渗能力的影响显著。程艳涛等[10]在深度10～20cm的土层中,做连续的饱和导水率观测试验,得到地温与饱和导水率的关系如图2。0.10.20.30.40.50.6024610812土壤温度C饱和导水率mm/sR2=0.9874y2=0.0098x2-0.0776x+0.3026图2地温与饱和导水率关系[10]在北方寒冷地区推广地源热泵时,冷热负荷的不平衡必然带来土壤温度的持续降低,饱和导水率下降,进而带来土壤相应的物性参数改变。土壤温度影响植物生长、发育、繁殖，而且是土壤形成和发育的重要因素。他影响到土壤中有机质和N、P、K素的积累，土壤导电性，土壤水分状况等。李世清等[11]对黄土高原南部半湿润易旱区对土壤温度和土壤微生物体氮的季节性变化进行了研究，发现在4～36℃范围内,微生物体氮与温度呈线性相关，土壤微生物体氮与土壤温度有显著或极显著的正相关性。土壤温度升高也会影响植物根系活动,从而影响其对营养元素的吸收，还可能影响其中的微生物等分解者活动，一般而言,可能加速死亡地被物的分解,但也可能改变诸如动物等的种类与数量而发生部分物质难以降解,昀终影响整个区域生态环境的变化。3土壤热平衡问题的影响因素空调负荷差异是土壤热失衡问题出现的根源,而土壤热平衡过程亦复杂多变，空调逐时负荷输入造成热量通过地埋管换热器内的强制对流传递给土壤，土壤又以自然方式向四周扩散使其自身温度缓慢趋于初始值。此过程受土壤热物性、管群布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等因素影响。地源热泵在供热工况下，地埋管换热器入口温度低于0℃时换热器周围含湿土壤有可能冻结。在水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸收同等数量的热量情况下,土壤降低温度的幅度小。水分越多,释放的潜热量越多,温度降低幅度越小,在邻近地热换热器埋管的土壤温度越高，对热泵供热工况运行越有利。于明志等[12]对土壤冻结对地热换热器与其周围换热过程影响进行了研究。对有量纲数据进行分析，结果如表1所示（ε为土壤孔隙率）。可见地源热泵系统设计时有必要考虑可能出现的土壤冻结问题，这会减小地源热泵系统的初投资,增大热泵工质和防冻液的选择范围。表1r=0.1m处的土壤温度温度ε=0ε=0.2ε=0.4ε=0.6ε=0.8考虑冻结-16.48-12.25-10.80-10.12-9.78不考虑冻结-16.48-18.23-21.47-26.28-35.31地下水渗透和流动无处不在，地下水的渗透和流动会影响到整个地下环路热交换器的换热系数，在钻井现场设计过程中，许多复杂情况都是由于地下水的流动而导致的，地下水的流动不仅影响到岩土热传导率测定的准确性，而且影响到整个换热器的长期性能。王庆鹏[13]研究了地下水渗流对地脉管换热器传热的影响，发现有渗流的土壤温度场发生了变形，地下水的渗流对土壤热交换有显著影响，不仅土壤通过热传导换热，而且还形成对流换热，大大增强换热器的热交换能力，并能有效降低冷热负荷不平衡。文献[14]研究表明：在地下渗流速度为10-6m/s(约为30米/年)左右时，热交换能力比无渗流时增大约30%。可见，地下渗流对地脉管换热器的影响不可忽视，也是影响热平衡问题的重要因素。另外在工程上，有地下水渗流时地埋管应沿地下水渗流方向交错布置，以尽量避免群埋管间热扰。赵军等[15]以南京一个桩间距较小(1.8～2.1m)的大面积密集型桩埋地源热泵为例，研究发现，桩群热作用范围扩大到6～8m左右，表明埋管之间已开始发生强烈的相互作用，夏季工况结束后,桩群周围土壤温度场存在一个较大的热惯性。甚至在冬季工况初期时,这种作用仍然存在。可见，土壤吸放热过程是一个相对缓慢且滞后的过程一旦超过土壤本身自然的热扩散能力或限度,就会在局部区域产生暂时的热量聚集。地温的恢复特性主要取决于土壤热物性、管群877布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等