文新征 甄平福

關(guān)于土壤源熱泵系統(tǒng)中土壤熱平衡問(wèn)題的探討

文新征 甄平福

（信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院 陜西西安 710054）

結(jié)合工程實(shí)例對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)中影響土壤熱平衡的主要因素作了分析，并提出了解決土壤熱平衡問(wèn)題的幾種常見(jiàn)的方法。

土壤源熱泵系統(tǒng)；土壤熱平衡；成因分析；解決方法

前言

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地能資源（包括土壤、地表水及地下水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。[1]

土壤源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的一種形式，它是以淺層土壤中的熱能資源為熱源，由以水或水溶液為傳熱介質(zhì)的熱泵機(jī)組、土壤換熱器系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)共同組成的空調(diào)系統(tǒng)。土壤源分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季制冷的冷源：在冬季，把地下土壤中的熱量取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為高溫高位熱后，供給室內(nèi)采暖；在夏季，把室內(nèi)的熱能取出來(lái)，釋放到地下土壤中去，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制冷的效果。

1 土壤熱平衡問(wèn)題的產(chǎn)生

土壤源熱泵系統(tǒng)利用土壤換熱器系統(tǒng)從地下土壤中提取溫差能，在建筑物空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中，因?yàn)橄亩瑑杉究照{(diào)總的負(fù)荷狀況以及其運(yùn)行時(shí)間存在差異性，致使土壤換熱器系統(tǒng)在夏季向土壤中累計(jì)釋放的熱量與冬季從土壤中累計(jì)汲取的熱量產(chǎn)生差異，系統(tǒng)中這種長(zhǎng)時(shí)間的取放熱量的不平衡會(huì)逐漸堆積，最終會(huì)超過(guò)土壤源自身對(duì)熱量的擴(kuò)散能力，造成其區(qū)域內(nèi)土壤原有初始溫度的不斷改變，并導(dǎo)致土壤換熱器系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的溫度隨之變化及其系統(tǒng)整體運(yùn)行效率逐年下降，從而引發(fā)土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問(wèn)題。

2 土壤熱平衡問(wèn)題成因分析

2.1 土壤熱平衡問(wèn)題的影響因素

土壤換熱器的傳熱過(guò)程在實(shí)際中具有復(fù)雜性及非穩(wěn)定性，其傳熱形式主要表現(xiàn)為土壤導(dǎo)熱，同時(shí)還包括了土壤空隙中空氣及水的動(dòng)態(tài)熱傳變化，因此土壤性狀（初始溫度、熱物性及含水量）、埋設(shè)管道（材質(zhì)、尺寸）、熱傳介質(zhì)特性（流體物性、流速、流量）等因素都會(huì)影響單個(gè)土壤換熱器系統(tǒng)的傳熱過(guò)程。同時(shí)，當(dāng)多個(gè)土壤換熱器同時(shí)存在時(shí)，又會(huì)對(duì)系統(tǒng)中土壤統(tǒng)一位置出產(chǎn)生溫度場(chǎng)的疊加效應(yīng)，引起該處土壤溫度變化。另外，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化及其運(yùn)行的季節(jié)性停開(kāi)，都會(huì)導(dǎo)致土壤溫度的不斷升降變化。由于土壤散熱是在空間足夠大的大地中進(jìn)行，所以要保持系統(tǒng)中全年的土壤熱平衡，就得使設(shè)計(jì)能保持每年空調(diào)系統(tǒng)從地下土壤中取放的熱能差不超過(guò)土壤本身的散熱能力。但實(shí)際中，當(dāng)項(xiàng)目區(qū)域、土壤源特性以及建筑物功能等客觀(guān)因素已經(jīng)確定時(shí)，真正能夠影響該項(xiàng)目土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡的因素主要為以下幾方面：

（1）準(zhǔn)確的建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性預(yù)測(cè)；

（2）土壤換熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

（3）土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略的設(shè)計(jì)；

（4）施工管理及施工質(zhì)量；

（5）后期運(yùn)行管理水平。

2.2 工程實(shí)例分析

以下是結(jié)合工程實(shí)例對(duì)土壤源熱泵土壤熱平衡問(wèn)題的影響因素作一具體的分析：

2.2.1 工程概況

某科技大樓工程，建筑面積為32000m2，設(shè)計(jì)采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

2.2.2 建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性預(yù)測(cè)因素

（1）建筑空調(diào)負(fù)荷主要因素

該建筑空調(diào)負(fù)荷主要因素為：①室內(nèi)熱擾（包括人員、燈光和設(shè)備等）。②圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱。③新風(fēng)負(fù)荷。在這幾個(gè)因素中，室內(nèi)熱擾及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程對(duì)建筑負(fù)荷的影響作用最大。同時(shí)，由于在變風(fēng)量系統(tǒng)中，新風(fēng)隨人員密度的變化而變化，因此新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)熱擾的變化過(guò)程密切相關(guān)?？梢?jiàn)，合理地預(yù)測(cè)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性關(guān)鍵在于室內(nèi)熱擾的參數(shù)設(shè)定及其動(dòng)態(tài)變化設(shè)計(jì)上。[2]

（2）全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷軟件模擬分析

現(xiàn)利用建筑能耗模擬軟件DeST對(duì)該工程全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬分析計(jì)算，可得到該科技大樓全年冷（熱）負(fù)荷逐時(shí)變化無(wú)因次曲線(xiàn)（圖1）和單位體積新風(fēng)冷（熱）負(fù)荷逐時(shí)全年變化曲線(xiàn)（圖2）。

圖1 科技大樓全年冷（熱）負(fù)荷逐時(shí)變化無(wú)因次曲線(xiàn)

圖2 科技大樓單位體積新風(fēng)冷（熱）負(fù)荷逐時(shí)全年變化曲線(xiàn)

圖中橫軸表示全年8760h。圖1中表明，熱負(fù)荷主要出現(xiàn)在11月中旬至第二年的3月中旬，并在1月上旬達(dá)到最大值，冷負(fù)荷全年都存在，并在7月中旬達(dá)到最大值；圖2中表明，在4月下旬至9月下旬這段時(shí)間內(nèi)，以新風(fēng)冷負(fù)荷為主。

可見(jiàn)，只需估計(jì)單位建筑面積的最大負(fù)荷，便可以通過(guò)建筑負(fù)荷的無(wú)因次曲線(xiàn)，獲得全年逐時(shí)單位建筑面積的負(fù)荷，并可根據(jù)自己的需要得到全年累計(jì)及冬夏季累計(jì)等數(shù)值；同理，如果確定了該建筑的設(shè)計(jì)新風(fēng)量，便可以通過(guò)單位體積新風(fēng)冷熱負(fù)荷逐時(shí)變化曲線(xiàn)得到全年的新風(fēng)負(fù)荷逐時(shí)變化量。經(jīng)過(guò)一系列分析計(jì)算后，可獲得該科技大樓夏季設(shè)計(jì)最大總冷負(fù)荷為3100kW，冬季設(shè)計(jì)最大總熱負(fù)荷為1900kW。

（3）全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷峰值條件下土壤源熱量差估算

經(jīng)年度制冷、供暖季后熱泵系統(tǒng)夏季向土壤排放的最大熱量與冬季從土壤獲得的最大取熱量的差值為：

其中，Q冷-夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW；Q熱-冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW；

EER-設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)；COP-設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)。

綜上分析，建筑負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化性及季節(jié)運(yùn)行的差異性都會(huì)導(dǎo)致土壤源的熱平衡問(wèn)題。

2.2.3 土壤換熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因素

該建筑土壤換熱器系統(tǒng)主要由豎向地埋管、水平環(huán)路集管、循環(huán)水泵及循環(huán)介質(zhì)（水或加冷凍劑的水溶液）構(gòu)成。土壤換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是土壤源的換熱能力，而建筑物全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷、巖土體的熱物性質(zhì)、地埋管規(guī)模和布設(shè)方式以及傳熱介質(zhì)特性等因素都會(huì)影響該系統(tǒng)的換熱效果[3～4]。因此，土壤換熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算具有特殊性及復(fù)雜性，針對(duì)該工程采用了專(zhuān)用的地下環(huán)路設(shè)計(jì)軟件GLD進(jìn)行了分析計(jì)算。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在冬季土壤換熱器全部承擔(dān)空調(diào)熱負(fù)荷1900kW，在夏季土壤換熱器供水溫度7～12℃，負(fù)荷1800kW的那部分空調(diào)冷負(fù)荷，夏季15～19℃高溫冷水負(fù)荷1300kW由冷卻塔來(lái)承擔(dān)。

（1）地埋管的布設(shè)及連接設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)GLD分析軟件的計(jì)算，豎向地埋管參數(shù)配置見(jiàn)表1。為了保證土壤換熱器系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，水平環(huán)路連接采用集管式方案，局部示意見(jiàn)圖3。

表1 豎向地埋管參數(shù)配置表

圖3 水平環(huán)路集管式連接示意圖

（2）模擬軟件分析計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)輸入流體、土壤、管道、型式熱泵及備選冷卻塔等設(shè)計(jì)參數(shù)，在假設(shè)模擬時(shí)間為15年的條件下，對(duì)土壤換熱器系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

從表2模擬分析計(jì)算結(jié)果可得出：15年后土壤溫度變化較小，僅為0.6℃。由此表明，科學(xué)合理的土壤換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)也關(guān)系著土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱平衡性。

2.2.4 土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略的設(shè)計(jì)因素分析

該項(xiàng)目土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略情況見(jiàn)表3。

事實(shí)表明，土壤源熱泵系統(tǒng)科學(xué)合理的運(yùn)行策略，不僅能保證系統(tǒng)正常安全的工作，更重要的是有利于土壤源溫度的恢復(fù)和熱平衡，并實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。

表3 土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略

2.2.5 施工管理及施工質(zhì)量因素

該項(xiàng)目在施工前先制定了科學(xué)合理有效的施工組織設(shè)計(jì)方案，其內(nèi)容主要包括了施工內(nèi)容、施工進(jìn)度、具體實(shí)施技術(shù)操作流程及相應(yīng)的保證措施。整個(gè)施工過(guò)程嚴(yán)格做到有計(jì)劃、有步驟、有階段、高效率、高質(zhì)量，從而在施工管理及質(zhì)量上完全保證整個(gè)土壤源熱泵系統(tǒng)正常及高效的運(yùn)行。

2.2.6 后期運(yùn)行管理水平

該項(xiàng)目系統(tǒng)不僅僅需要優(yōu)秀的設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的施工，還需要優(yōu)良的后期運(yùn)行管理和維護(hù)，才能讓系統(tǒng)發(fā)揮最佳的使用效果，延長(zhǎng)使用壽命，從而大大節(jié)省投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。為此，系統(tǒng)的后期運(yùn)行管理工作由專(zhuān)業(yè)的運(yùn)行管理人員來(lái)承擔(dān)，并嚴(yán)格執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)規(guī)章制度，全天候監(jiān)測(cè)、檢查、記錄，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

綜上，結(jié)合工程實(shí)例闡述了影響土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問(wèn)題的主要因素，它們之間相互聯(lián)系、相互作用、相互影響，并共同構(gòu)成了土壤源熱泵系統(tǒng)，因此，要從根本上解決土壤熱平衡問(wèn)題，關(guān)鍵是處理好影響系統(tǒng)的每個(gè)因素和環(huán)節(jié)。

3 土壤熱平衡問(wèn)題的解決措施

要解決項(xiàng)目系統(tǒng)土壤熱平衡問(wèn)題，首先要從其影響因素著手綜合分析考慮，制定科學(xué)合理的系統(tǒng)化策略方案。為此，針對(duì)一確定項(xiàng)目，首先需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，進(jìn)而優(yōu)化土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并保證優(yōu)良的施工質(zhì)量及后期規(guī)范化的運(yùn)行管理。常見(jiàn)的具體方法及優(yōu)劣性比較見(jiàn)表4。

表4 常見(jiàn)土壤熱平衡問(wèn)題解決方法對(duì)照表

4 結(jié)論

在地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理中，能否科學(xué)合理的分析與解決土壤熱平衡問(wèn)題至關(guān)重要，影響土壤熱平衡的因素除了建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性、土壤換熱器系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略、施工及運(yùn)行管理水平，在復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)情況下還可能碰到其它的問(wèn)題，因此，在實(shí)際解決土壤熱平衡問(wèn)題中，應(yīng)從系整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，全方位、多層次的分析研究，尋求更優(yōu)、更有效的解決途徑。

[1]孫曉光，林豹，王新北.地源熱泵工程技術(shù)與管理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]陸亞俊，馬最良，皺平華.暖通空調(diào)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（2009年版）（GB50366-2005）.

[4]胡建平.土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].暖通空調(diào)，2005，2（17）：82～85.

TU831

A

1004-7344（2016）27-0204-02

2016-9-8

文新征（1978-），男，工程師，本科，主要從事巖土工程工作。