地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問題探討

摘 要:地源熱泵系統(tǒng)涉及多方面內(nèi)容，以地埋管式為例，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要著重考慮土壤的熱響應(yīng)、換熱器長度等問題，同時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)候要兼顧土壤的冷熱平衡，以確保系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:地源熱泵熱響應(yīng)換熱器冷熱平衡

中圖分類號(hào):TU1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(c)-0137-01

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國能源供需矛盾愈加突出，因此，我們國家十分重視能源的循環(huán)利用、綠色、環(huán)保。而地源熱泵技術(shù)作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)可行的建筑物供暖及制冷新技術(shù)也越來越受到關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)在歐美已經(jīng)過長期的發(fā)展歷程，有著成熟的理論和系統(tǒng)，但在我國卻剛剛起步，在實(shí)際應(yīng)用中仍然有一些問題需要加以深入研究和探討。

1 地源熱泵系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)勢(shì)分析

地源熱泵系統(tǒng)是指以土壤、地下水和地表水作為熱源，由地源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物系統(tǒng)組成的供熱、供冷空調(diào)系統(tǒng)。在制熱狀態(tài)下，熱泵機(jī)組通過地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，傳至冷凝器，冷凝器產(chǎn)生熱水通過循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對(duì)房間進(jìn)行供暖。在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)將熱泵機(jī)組排放的熱量帶走，由此產(chǎn)生的冷水，通過循環(huán)水泵系統(tǒng)送至空調(diào)末端，對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行供冷。這種系統(tǒng)利用的是清潔能源，不會(huì)對(duì)自然界的能量系統(tǒng)造成不利影響，不會(huì)產(chǎn)生多余的碳排放，環(huán)保效果顯著;并且，功能齊全，運(yùn)行可靠，既可以用來供暖、也可以用來制冷，并且還能提供生活熱水。

根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)可以分為分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。其中，地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于對(duì)水環(huán)境擾動(dòng)較小，應(yīng)用的最為廣泛，因此，我們接下來的分析將以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為主。

2 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相關(guān)問題探討

2.1 土壤的熱響應(yīng)測(cè)試問題

不同的地理位置，其土壤的導(dǎo)熱系數(shù)也不相同，這會(huì)使得換熱器的效果也存在著一定的差別。因此，設(shè)計(jì)之前，必須首先要知道土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。目前，確定土壤的導(dǎo)熱系數(shù)有兩種方法，即經(jīng)驗(yàn)值估算法和熱響應(yīng)測(cè)試法。前者誤差較大，在實(shí)際應(yīng)用中已逐步淘汰，后者是通過加熱循環(huán)水方式將熱量釋放到地下，記錄進(jìn)/出水溫度、流量以及加熱功率來計(jì)算土壤的相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)，這種方式相對(duì)來說比較嚴(yán)密，但在實(shí)際應(yīng)用也存在著較大問題，并直接影響了測(cè)試結(jié)果并進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一定的誤導(dǎo)作用，其主要表現(xiàn)如下:

(1)忽視了流速不同產(chǎn)生的換熱量不同。相關(guān)資料表明，進(jìn)水溫度一定，熱流量與流速呈正比關(guān)系，但當(dāng)流速增快時(shí)，熱流量的變化率逐漸變小，與此同時(shí)，流速的增加會(huì)增加循環(huán)水泵的功耗，因此，不同的工程應(yīng)當(dāng)都存在著一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)流速。為此，在進(jìn)行土壤熱響應(yīng)測(cè)試的時(shí)候，應(yīng)具有整體的觀念，要從整個(gè)系統(tǒng)的角度來設(shè)計(jì)，提供不同流速下的每延米孔深換熱量，以便于計(jì)算經(jīng)濟(jì)流速和地埋管換熱孔的總長度。

(2)計(jì)算每延米孔深換熱量的時(shí)候忽視了季節(jié)及施工因素的影響。地源熱泵系統(tǒng)工程的時(shí)間跨度相對(duì)比較短，一般只有1～3個(gè)月，因此，不可能在夏季和冬季都進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試，有時(shí)甚至由于受整個(gè)建筑工程施工進(jìn)度的制約，還會(huì)在春季和秋季這樣的不需要空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)進(jìn)行測(cè)試。盡管豎直埋管的深度通常都達(dá)到90～120m，在地下30m以上一般溫度不會(huì)受季節(jié)的影響，但是在地下0～30m處，土壤的初始溫度隨著季節(jié)的變化而呈現(xiàn)出周期性變化。同時(shí)鉆孔機(jī)械散熱也會(huì)改變土壤的初始溫度。所有的這些都會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行有所差別。因此，地埋管施工后，要等到土壤的溫度恢復(fù)至正常水平才能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，在測(cè)試的時(shí)候還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刂窔庀筚Y料確定每延米孔深的取熱量和放熱量。

2.2 換熱器長度問題

換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其內(nèi)容涉及埋置方式、埋管位置、管材材料、管道長度等多方面內(nèi)容。由于建筑物全年累計(jì)的冷熱負(fù)荷通常是不均衡的，因此，必須根據(jù)建筑物的主要功能來確定換熱器的長度。對(duì)此，目前應(yīng)用的比較廣泛的是采用半徑公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，這種方法的步驟為確定埋管的平面布置，計(jì)算巖土及鉆孔內(nèi)的熱阻，確定熱泵的最高和最低進(jìn)水溫度，計(jì)算供熱和供冷的運(yùn)行份額，計(jì)算地埋管換熱器鉆孔總長度。但采用這種方式往往會(huì)使得系統(tǒng)的最大放熱量與最大吸熱量之間相差過大。因此，在我們的設(shè)計(jì)中，所采用的工程公式為:

供冷工況:

(1)

供熱工況:

(2)

式中:

Lc—制冷工況所需長度;Lh—供熱工況所需長度;Qc—額定制冷量;Qh—額定制熱量;Fc—制冷運(yùn)行系數(shù);Fh—供熱運(yùn)行系數(shù);tmax—冷凝器最高進(jìn)液溫度;EER—制冷能效比;tmin—蒸發(fā)器最低進(jìn)液溫度;COP—制熱能效比;t0m—地表面年平均溫度;Rb—鉆孔熱阻;Rq—土壤熱阻。

具體步驟如下:

(1)根據(jù)建筑物功能需要及結(jié)構(gòu)尺寸，確定其冷熱負(fù)荷。

(2)計(jì)算地表年平均溫度t0m，以此確定機(jī)組的最大進(jìn)液溫度tmax以及最低進(jìn)液溫度tmin。

(3)地埋管相關(guān)參數(shù)，如鉆孔直徑、管材質(zhì)料及規(guī)格，埋管方式等。

(4)確定地埋管換熱器的放熱量及吸熱量。

(5)根據(jù)建筑物的逐時(shí)冷熱負(fù)荷以及制冷和制熱量計(jì)算出Fc和Fh。

(6)計(jì)算管內(nèi)流體流速。

(7)分別計(jì)算土壤熱阻Rq以及鉆孔熱阻Rb。

(8)根據(jù)式(1)(2)計(jì)算地埋管換熱器在制冷和供熱狀況下的所需長度Lc及Lh。兩者中取較大的為設(shè)計(jì)長度。

經(jīng)過實(shí)際比較，筆者認(rèn)為這兩種方式當(dāng)中采用后一種方式更為合理。

2.3 土壤的熱平衡問題

目前對(duì)于土壤的熱平衡主要有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，地源熱泵夏季不斷向土壤排放熱量，冬季不斷從土壤中取出熱量。當(dāng)排放的熱量和吸取的熱量不能平衡，隨著時(shí)間的累積就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常制冷或制熱。因此，必須加以輔助設(shè)施以確保土壤的熱平衡以使得系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為土壤的冷熱堆積問題可由土壤自身的熱傳導(dǎo)來加以平衡，無須額外加以輔助設(shè)施，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候主要考慮的是系統(tǒng)的最大負(fù)荷。在這兩種觀點(diǎn)之間，筆者更傾向于前一種觀點(diǎn)，因?yàn)榈卦礋岜秘Q直埋管的深度一般為90～120m，有30m的埋管處于外熱層，60～90m的埋管處于恒溫層，即67%以上的埋管處于恒溫層。由于地殼的傳熱系數(shù)很小，也即，依靠地殼自身，很難達(dá)到冷熱均衡，必須要采取一定的人為措施加以干預(yù)。

3 結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)是一項(xiàng)涉及多方面學(xué)科的地能利用技術(shù)，也因此，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性影響的因素也是多方面的。其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題則是土壤本身的熱響應(yīng)以及埋管長度問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮其長遠(yuǎn)的運(yùn)行，必須要兼顧土壤的冷熱平衡問題。