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1、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡3同濟大學 馬宏權☆ 龍惟定摘要 分析了地埋管地源熱泵熱平衡問題的由來與影響,提出了解決該問題的技術思路,并結合實際項目的測試分析,討論了對解決該問題有利的系統(tǒng)設計原則和運行模式。關鍵詞 地源熱泵 熱平衡 優(yōu)化設計GroundheatbalanceinGSHPByMaHongquan★andLongWeidingAbstract DiscussesthecauseandeffectofgroundheatbalanceinGSHP,andputsforwardthetechnicalco
2、nsiderationsforsolvingthisproblem.Basedontestdataofactualprojects,discussestheoptimizedsystemdesignfundamentalandoperationmode.Keywords GSHP,heatbalance,optimizationdesign★TongjiUniversity,Shanghai,China①0 引言地埋管地源熱泵(ground2coupledheatpump)系統(tǒng)的研究和項目實施是我國地源熱泵(gr
3、oundsourceheatpump)系統(tǒng)三種形式中開始最晚的一種,其造價和運行費用相對也較地下水地源熱泵(groundwaterheatpump)和地表水地源熱泵(surfacewaterheatpump)系統(tǒng)要稍高[1]。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(groundheatexchanger)內循環(huán)水換取土壤中貯存的溫差能,沒有對自然水源的開采和污染的擔心,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冷熱源。隨著我國的城市化進程和能源緊缺
4、形勢的發(fā)展,地埋管地源熱泵系統(tǒng)的數量和規(guī)模近年來快速增加,全國已經有多個數十萬m2的地埋管地源熱泵項目。與歐美地埋管地源熱泵主要采用水平埋管式地埋管換熱器、通過小型熱泵機組承擔別墅等小型住宅空調的方式不同,我國的地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要服務對象是規(guī)模較大的多層住宅和辦公建筑,地埋管換熱器一般采用在一定區(qū)域內密集布置的豎直單U甚至雙U形地埋管換熱器群,近年來還出現了利用建筑物地基內的工程樁或灌注樁密集布置地埋管換熱器群的新方式。這些密集型豎直埋管的方式雖然能較好地適應中國地少人多的國情,但是也帶來了技術上的隱患,那
5、就是地埋管換熱器布置范圍內的土壤熱失衡問題,它已經引起了各方面對此技術長期運行效果越來越多的擔心[2]。1 土壤熱平衡問題的由來地埋管地源熱泵依靠地埋管換熱器從地下土壤中提取能量,雖然熱泵機組的熱源和熱匯都是擴散半徑范圍內的土壤,但地埋管換熱器夏季累計向土壤的放熱量與冬季從土壤的取熱量一般并不一致,這樣長期取放熱量不平衡的堆積會超過土壤自身對熱量的擴散能力,造成其溫度不斷偏離初始溫度,并導致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運行效率逐年下降,這即通常所說的地埋管地源熱泵熱失衡問題。地埋管地源熱泵周期運行后土壤溫度出現上升和
6、下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果,都對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。如果地埋管地源熱泵系統(tǒng)承擔全部空調負荷,大多數情況下其全年的取放熱①☆馬宏權,男,1979年1月生,在讀博士研究生201804上海市曹安公路4800號同濟大學嘉定校區(qū)132306信箱量不平衡,在我國部分地區(qū)可能表現為散熱量多于取熱量。這主要是由于供冷季、供暖季持續(xù)時間和負荷強度有明顯差異,而且夏季土壤還要承擔制冷機組和水泵等設備散熱造成的。例如在夏熱冬冷地區(qū),建筑物夏季供冷的時間要比冬季供暖的時間長約2個月,供冷負荷的絕對值也要比熱負荷的絕對值高出近1倍
7、,在以供冷為主的地區(qū)這種差異更大。這樣,系統(tǒng)運行一年后積累的熱量會引起土壤溫度逐年上升,嚴重時會造成夏季高峰負荷期地埋管換熱器內循環(huán)冷卻水溫度達40℃以上,引起熱泵機組制冷效率嚴重降低。如圖1,2所示,運行第3年的上海某辦公樓地埋管地源熱泵系統(tǒng),由于系統(tǒng)投入運行后,建筑物實際夏季負荷大于設計狀態(tài),造成地埋管換熱器數量不足,每天系統(tǒng)啟動后冷卻水溫度從37℃持續(xù)上升約6℃,熱泵機組COP從啟動工況的3.66下降到最不利時的3.14,降幅達13.9%,很明顯,地埋管地源熱泵系統(tǒng)此時不但效率降低,而且持久運行特性也已變差
8、。在我國東北以供暖為主的地區(qū),理論上也可能出現地埋管地源熱泵連年運行后土壤溫度下降,但以供暖為主的系統(tǒng)采用輔助熱源的比例較高,實際出現土壤失衡的可能性較小。地埋管換熱器的實際傳熱過程是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,它以土壤導熱為主,但同時還包括了土壤多孔介質中的空氣、地下水體的自然對流以及地下水的遷移傳熱,因此土壤的熱物性、含水量、土壤初始溫度、埋管材料、管徑和流體物性、流
