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1、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡3同濟大學(xué) 馬宏權(quán)☆ 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(shù)思路,并結(jié)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(shè)計原則和運行模式。關(guān)鍵詞 地源熱泵 熱平衡 優(yōu)化設(shè)計GroundheatbalanceinGSHPByMaHongquan★andLongWeidingAbstract DiscussesthecauseandeffectofgroundheatbalanceinGSHP,andputsforwardthete
2、chnicalconsiderationsforsolvingthisproblem.Basedontestdataofactualprojects,discussestheoptimizedsystemdesignfundamentalandoperationmode.Keywords GSHP,heatbalance,optimizationdesign★TongjiUniversity,Shanghai,China①0 引言地埋管地源熱泵(ground2coupledheatpump)系統(tǒng)
3、的研究和項目實施是我國地源熱泵(groundsourceheatpump)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(nèi)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(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
4、失為一種新的空調(diào)冷熱源。隨著我國的城市化進程和能源緊缺形勢的發(fā)展,地埋管地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)模近年來快速增加,全國已經(jīng)有多個數(shù)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(dān)別墅等小型住宅空調(diào)的方式不同,我國的地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要服務(wù)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(nèi)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(xiàn)了利用建筑物地基內(nèi)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
5、管的方式雖然能較好地適應(yīng)中國地少人多的國情,但是也帶來了技術(shù)上的隱患,那就是地埋管換熱器布置范圍內(nèi)的土壤熱失衡問題,它已經(jīng)引起了各方面對此技術(shù)長期運行效果越來越多的擔(dān)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(nèi)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(dǎo)致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運行效率逐
6、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(xiàn)上升和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(dān)全部空調(diào)負(fù)荷,大多數(shù)情況下其全年的取放熱①☆馬宏權(quán),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(xué)嘉定校區(qū)132306信箱量不平衡,在我國部分地區(qū)可能表現(xiàn)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(fù)荷強度有明顯差異,而且夏季土壤還要承擔(dān)制冷機組和水泵等設(shè)備散熱造成的。例如在夏
7、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(fù)荷的絕對值也要比熱負(fù)荷的絕對值高出近1倍,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(yán)重時會造成夏季高峰負(fù)荷期地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水溫度達40℃以上,引起熱泵機組制冷效率嚴(yán)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(fù)荷大于設(shè)計狀態(tài),造成地埋管換熱器數(shù)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
8、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。在我國東北以供暖為主的地區(qū),理論上也可能出現(xiàn)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(xiàn)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(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,它以土壤導(dǎo)熱為主,但同時還包括了土壤多孔介質(zhì)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
