趙啟月　魏琦君

【摘 要】 受傳統(tǒng)老技術(shù)的制約，大多熱泵冷暖機(jī)組實(shí)際應(yīng)用效果并不夠理想，節(jié)能效果與設(shè)計(jì)前相比存在一定誤差，然而目前，我國(guó)地?zé)崮茉吹拈_(kāi)發(fā)利用程度還比較低，在地?zé)崮茉蠢梅矫?，土壤源熱泵空調(diào)是一種利用地?zé)崮茉磳?shí)現(xiàn)制冷與供暖的設(shè)備本文就地源熱泵系統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的影響、土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理及地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運(yùn)行研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】 土壤源熱泵系統(tǒng)；地下地埋管換熱性能；研究

引言：

地源熱泵是隨全球能源環(huán)境問(wèn)題的可持續(xù)發(fā)展而逐漸興起的一門節(jié)能環(huán)保的淺表地?zé)崂眉夹g(shù)。我國(guó)《可再生能源法》已于2005年頒布，同年推出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，為在我國(guó)推廣地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了政策保障和技術(shù)準(zhǔn)則。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的一種形式，由于該系統(tǒng)只取熱，不取水，沒(méi)有地下水位下降和地面沉降向題，不存在腐蝕和開(kāi)鑿回灌井問(wèn)題，也不存在對(duì)大氣排熱、排冷的熱污染和排煙、排塵、排水等污染問(wèn)題，所以應(yīng)用最為廣泛。

一、土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源地下水，地表水或土壤等既可制冷又可制熱的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)輸入少量的高品位能源如電能，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移。地能可分別在冬季作為熱粟供暖的熱源和夏季空調(diào)制冷的冷源。該系統(tǒng)本身消耗了一部分的電能，而整個(gè)熱菜裝置所消耗功僅為輸出功的一小部分。由于該系統(tǒng)采取特殊的換熱方式，相比于傳統(tǒng)空調(diào)使其具有無(wú)法比擬的高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在整個(gè)換熱過(guò)程中沒(méi)有化石燃料的燃燒和損耗，因此地源熱菜不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成損害。作為一種綠色無(wú)污染，高效又節(jié)能的空調(diào)方式，地源熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用中必將變得越來(lái)越廣泛。

（一）土壤源熱泵與空氣源熱泵的工作原理相似

在制冷狀態(tài)下，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)而吸收室內(nèi)循環(huán)空氣所攜帶的熱量，通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，使其在室外冷凝器內(nèi)冷凝，然后通過(guò)系統(tǒng)中的循環(huán)水路將制冷劑中所攜帶的熱量吸收，最后經(jīng)過(guò)室外地能換熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到土壤里。其工作原理如圖1所示。在制熱狀態(tài)下，開(kāi)始由系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，然后利用四通閥將制冷劑的流動(dòng)方向換向，從而由室外地能換熱系統(tǒng)吸收地下土壤里的熱量，并在室內(nèi)側(cè)換熱器中將熱量釋放給室內(nèi)空氣，實(shí)現(xiàn)向室內(nèi)供熱。其工作原理如圖2所示。

（二）土壤源熱泵空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)

第一，使用土壤源熱泵空調(diào)可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)資源的可再生利用。土壤源熱泵可以通過(guò)吸收地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源然后再進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從地理學(xué)角度來(lái)看，淺層地表就是一個(gè)太陽(yáng)能資源儲(chǔ)存器，太陽(yáng)輻射的能量有47%都被淺層地表吸收了。這種地?zé)崃看竺鎻V、無(wú)處不在，它基本不受地理位置、季節(jié)氣候、資源等限制。這種淺層地表儲(chǔ)存的太陽(yáng)熱能資源幾乎是無(wú)限可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)循環(huán)利用，最重要的還是這種能源本身就是一種清潔能源。在地表之下5米的土壤溫度比地表氣溫低，但是基本均衡穩(wěn)定。第二，使用土壤源熱泵空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用較低。較低的運(yùn)行費(fèi)用使得土壤熱源泵有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。從其與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用相比來(lái)看，每年大約可節(jié)省40%的運(yùn)行費(fèi)用。土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)使用年限均在20年左右。較長(zhǎng)的使用年限攤薄了每年的成本費(fèi)用，可以有效地降低使用維護(hù)成本。

二、地源熱泵系統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的影響

（一）系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)U型管換熱性能的影響

地源熱泵系統(tǒng)在適應(yīng)不同場(chǎng)合的供冷、采暖需求時(shí)有全天連續(xù)運(yùn)行、晝開(kāi)夜停間歇運(yùn)行、全天不連續(xù)運(yùn)行等模式，不同的運(yùn)行模式下其埋管的換熱效率是不盡相同的，有限差分模型為基礎(chǔ)分析了不同運(yùn)行條件下地埋管內(nèi)流體和周圍土壤的換熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇運(yùn)行時(shí)流體和周圍土壤的換熱性能高于連續(xù)運(yùn)行時(shí)。于紅海在建立了鉆孔內(nèi)二維、準(zhǔn)三維傳熱模型的同時(shí)，又引入了脈沖熱流對(duì)連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行時(shí)的溫度響應(yīng)，建立了埋管換熱器的較為完善的模型，對(duì)60m深U型埋管換熱器地源熱泵進(jìn)行了夏季運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，在最佳流速0.42m/s時(shí)，由于連續(xù)運(yùn)行時(shí)管內(nèi)介質(zhì)與周圍土壤交換的熱量來(lái)不及向周圍擴(kuò)散而影響了進(jìn)一步的傳熱而使得全天連續(xù)運(yùn)行時(shí)單位孔深換熱量與系統(tǒng)制冷系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，且晝開(kāi)夜停運(yùn)行模式易于保證地溫的恢復(fù)，使對(duì)提高單位孔深換熱量更加有利。

（二）不同運(yùn)行方式下埋管周圍土壤溫度場(chǎng)的研究

地源熱泵系統(tǒng)在與土壤換熱過(guò)程中會(huì)改變土壤溫度分布情況，土壤溫度的恢復(fù)需要一段時(shí)間。因此在熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方面，需采用時(shí)停時(shí)開(kāi)的間隙運(yùn)行方案。對(duì)于別墅來(lái)說(shuō)，不需要全天對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖或制冷，因此可采取間歇式運(yùn)行方式，既可縮短熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，又減少了電能消耗，同時(shí)減輕了土壤的負(fù)擔(dān)，與連續(xù)運(yùn)行方式相比，更有利于土壤溫度的恢復(fù)。為了更好地比較間歇式運(yùn)行方案與連續(xù)式運(yùn)行方案的區(qū)別，在初始條件相同的情況下，分別以間歇方式與連續(xù)方式運(yùn)行。間歇運(yùn)行方式的開(kāi)停時(shí)間比1∶1，運(yùn)行36h；連續(xù)運(yùn)行方式運(yùn)行24h。間歇運(yùn)行與連續(xù)運(yùn)行水平方向距埋管0.1m處土壤溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。

由圖1模擬結(jié)果可看出，在初始條件相同的條件下，前12h兩種方式運(yùn)行結(jié)果相同，土壤溫度都為8.05℃，但間歇方式經(jīng)12h的停機(jī)后，土壤溫度恢復(fù)到9.20℃，已與初始溫度十分接近，后12h運(yùn)行結(jié)束后土壤溫度為7.85℃，運(yùn)行前后溫差為1.35℃，而連續(xù)運(yùn)行方式運(yùn)行24h后土壤溫度為7.30℃，后12h運(yùn)行前后溫差為0.75℃，得出間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行方式埋管換熱量提高了80.0%，由此可見(jiàn)，在相同的初始條件下，開(kāi)停時(shí)間比為1∶1，間歇運(yùn)行36h比連續(xù)運(yùn)行24h的效果更好。

三、地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運(yùn)行研究進(jìn)展

（一）換熱器的傳熱效果優(yōu)化與評(píng)價(jià)

埋管換熱器可分為水平埋管，垂直埋管和螺旋形埋管三大類。水平埋管形式適合于有足夠空閑場(chǎng)地的地方，其埋管深度通常在1.2-3米。垂直埋管適合于10-100米埋深的U型垂直埋管或套管。螺旋型埋管形式結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，占地面積小，安裝費(fèi)用低，但其管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜管道加工困難，且系統(tǒng)運(yùn)行阻力大，能耗偏高。應(yīng)用有限單元法對(duì)土壤熱源地下U型垂直埋管周圍土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值吻合良好，為U型垂直管埋深、數(shù)量及間距的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。丁力等針對(duì)影響土壤源熱泵垂直埋管單管換熱性能的幾種因素進(jìn)行分析研究，得到盤管物理特性與換熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合的較好。趙軍等采用能量平衡法建立了土壤層內(nèi)U型管樁埋換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并以天津市某地源熱泵實(shí)際工程為背景，模擬計(jì)算了管腳熱影響因子、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)U型管樁埋換熱器的傳熱性的影響。

（二）各種土壤狀況下不同埋地?fù)Q熱器在不同埋管方式下的換熱過(guò)程及換熱機(jī)理分析

土壤的溫度、熱特性、熱傳導(dǎo)性、熱傳導(dǎo)性、密度、濕度等也是影響系統(tǒng)性能的因素。例如，卵石性土壤導(dǎo)熱系數(shù)高，但施工費(fèi)用大，因此，粘土和沙地是埋管系統(tǒng)較合適的土壤類型，另外，土壤潮濕可以加大土壤導(dǎo)熱系數(shù)。熱泵在運(yùn)行期間會(huì)在盤管周圍因土壤的凍結(jié)出現(xiàn)土壤凍土層，試土壤膨脹，與管道接觸緊密而傳熱系數(shù)增大，但熱泵一旦停止運(yùn)行，凍土融化，就會(huì)使土壤位移。從而在土壤與盤管間出現(xiàn)空隙，由于空氣的存在，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降。為避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用沙土回填。范萍萍等提出在地源熱泵運(yùn)行過(guò)程中，利用間歇過(guò)程，彌補(bǔ)土壤傳熱慢的缺點(diǎn)。土壤源熱泵間歇運(yùn)行時(shí)間可以改變土壤溫度的變化規(guī)律，增強(qiáng)傳熱并實(shí)現(xiàn)更佳的熱泵運(yùn)行工況。

四、結(jié)束語(yǔ)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究和項(xiàng)目實(shí)施是我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)三種形式中開(kāi)始最晚的一種，其造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)也較地下水地源熱泵和地表水地源熱泵系統(tǒng)要稍高。但這些并不妨礙地埋管地源熱泵的迅速發(fā)展，原因在于地埋管地源熱泵采用地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水換取土壤中貯存的溫差能，沒(méi)有對(duì)自然水源的開(kāi)采和污染的擔(dān)心，因此適用性更廣，安全穩(wěn)定性更高，尤其在夏熱冬冷地區(qū)不失為一種新的空調(diào)冷熱源。

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