夏熱冬冷地區地源熱泵系統熱平衡分析

徐 輝 劉光遠 楊衛波

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225127)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展和能源危機的加深，地埋管地源熱泵系統的數量和規模快速增加，在夏熱冬冷地區使用尤為廣泛。地埋管地源熱泵系統主要應用于規模較大的多層住宅、辦公建筑和商場［1］，地埋管換熱器采用在規定區域內密集分布的豎直單U或者雙U地埋管換熱管群，管間距為4 m～6 m。地埋管地源熱泵系統采用閉式水循環的地埋管換熱器，不污染地下自然水源和生態環境，因此適用性更廣，穩定性更高。但是經過多年實際工程的應用，也暴露出了不少問題，常見的一個問題是:在地埋管換熱管群布置范圍內，地源熱泵系統冬夏兩季取熱量和放熱量不平衡，即土壤熱失衡問題。本文對夏熱冬冷地區的熱平衡問題進行分析，并針對不同工況提出了不同的解決方案。

1 熱平衡問題的由來

地源熱泵系統是以土壤、地下水或地表水為冷熱源，由熱泵機組、熱能交換系統、建筑內部系統三部分組成的空調系統。夏季將地下土壤中的冷量取出用于空調，即將末端用戶使用的熱量蓄存于地下土壤;冬季，又將夏季蓄存的熱量從地下取出用于供暖，即將用戶的冷量蓄存于地下。如此往復，在冷、熱源交替使用的過程中，實現能源的可再生與高效利用［2］。但是地源熱泵系統夏季累計向土壤釋放的熱量與冬季從土壤取出的熱量不可能完全相等，對于單根或少量埋管來說，完全可以靠土壤自身的熱擴散來消除熱失衡帶來的影響。對于目前應用較多的大面積密集布置管群而言，短時間的使用使得土壤溫度稍大于或者稍小于土壤初始溫度，對機組的影響不大，但是如果系統長期取放熱不相等的運行，就會導致土壤熱量或冷量的堆積，使土壤溫度不斷上升或下降，從而導致地埋管換熱器溫度逐漸偏離適合溫度和系統運行效率逐年降低［3］。此外隨著土壤溫度逐年的變化，持續升高或者降低，土壤中各種生物的生態環境將可能受到破壞，從而影響地下生物鏈，甚至對人類的生活環境也產生影響［4］。

文獻［5］就地源熱泵系統熱不平衡問題進行了研究，以冬夏3%和10%的不平衡率為條件，得出結果:以五年為周期，不平衡率為3%和10%的土壤溫度分別升高了0.81℃和2.77℃。說明不平衡率越大土壤溫升也越大，對系統運行效率的影響也越大。

以地源熱泵系統實際工程為例，如圖1所示，為8月22日實測數據。上午冷凝器進口溫度從26℃上升到中午的28℃，土壤溫度從24.5℃上升到26.1℃，系統COP從4.4下降到3.5;下午冷凝器進口溫度從27℃上升到晚上的29℃，土壤溫度從25.8℃上升到27.3℃，系統COP從3.7℃下降到2.9℃。因此，土壤溫度的上升直接導致了系統COP的下降，如果系統熱不平衡率較高，經過多年的運行，土壤溫度的大幅上升就會導致系統運行效率的降低，影響機組的正常運行。一般情況下，土壤溫度每升高1℃，取同樣冷量時導致能耗增加3%～4%［6］。因此熱平衡問題是地源熱泵系統長期正常運行必須要考慮的一個重要因素。

2 熱平衡問題分析

地埋管地源熱泵系統夏季制冷，冬季供熱，因為建筑產生的冷熱負荷不相等，如果空調負荷全部由地源熱泵系統承擔，那么從土壤吸收的熱量和冷量也就不等。當不平衡率過大，隨著系統運行時間增加，熱量或冷量堆積，土壤溫度逐漸高于或低于土壤的初始溫度。

圖1 某小區地源熱泵系統土壤溫度、冷卻水溫度及系統COP實測值

2.1 熱平衡問題分類

導致土壤熱失衡的原因有很多，主要是以下幾個方面:1)建筑冷熱負荷差異較大。2)系統設計時，為了節省初投資減少地埋管的數量且沒有增加輔助設備。3)運行管理不合理［7］。

根據熱失衡原因的不同，熱平衡問題可以分為以下幾種:

1)當建筑冷熱負荷基本平衡或不平衡率較小，即系統的放熱量約等于吸熱量，本文稱之為“熱平衡”;

2)當建筑冷負荷大于熱負荷，即系統的放熱量大于吸熱量且不平衡率較大時，本文稱“正失衡”;

3)當建筑冷負荷小于熱負荷，即系統放熱量小于吸熱量且不平衡率較大時，本文稱“負失衡”。

下面對夏熱冬冷地區不同熱平衡問題進行分析。

1)系統“正失衡”。

在長江中下游夏熱冬冷地區，地源熱泵空調末端形式以風機盤管夏季制冷、冬季供熱為主，所以空調冷熱負荷主要是由當地大氣溫度決定的。根據夏熱冬冷地區氣溫特點，地源熱泵系統主要表現為正失衡，部分地區不平衡率較低，表現為熱平衡。這是地源熱泵系統在夏熱冬冷地區出現的典型現象，國內很多學者都對這些問題進行了分析，本文不再詳細介紹。

2)系統“負失衡”。

近年來隨著居民生活水平的大幅提高，在住宅空調系統中，夏季使用風機盤管制冷，冬季使用地板采暖供熱的末端形式得到了廣泛的應用，但是根據大量工程應用，發現系統全年的放熱量小于取熱量。本文將以某小區地源熱泵系統實際運行狀況為例，分析夏熱冬冷地區“負失衡”問題。

2.2 工程案例分析

圖2為某小區地源熱泵系統全年土壤吸放熱量，圖中橫坐標代表時間刻度，縱坐標代表地埋管側每個時間點的瞬時負荷，“土壤吸放熱”曲線與橫坐標軸圍成的面積為土壤的吸放熱量，“0”刻度線以上的面積為土壤吸熱量，“0”刻度線以下的面積為土壤放熱量。

圖2 某小區地源熱泵系統全年土壤吸放熱量

圖3為地源熱泵系統用戶全年冷熱負荷，圖中縱坐標代表用戶側每個時間點的瞬時負荷，“0”刻度線以上的面積為用戶全年需要的冷量，“0”刻度以下的面積為用戶需要的熱量。

圖3 某小區地源熱泵系統用戶全年冷熱負荷

圖4 某小區地埋管周圍土壤-55 m處測點溫度實測值

圖4為地埋管周圍土壤－55 m處測點溫度實測值，圖中兩個測點水平位置分別位于四口地埋管井的正中間，垂直位置在地下55 m處。圖4為1號測點和4號測點2012年3月份～9月份和2013年3月份～9月份的溫度分布，顯然，土壤經過一年的吸放熱，溫度平均降低了0.3℃～0.4℃，這是系統“負失衡”問題在夏熱冬冷地區實際運行中的表現。

經過計算，用戶全年實際需要的冷量約為11.5 MkWh，需要的熱量反而高于實際所需冷量約為12.5 MkWh，該計算與設計所需冷熱量結論相反，這是由空調末端形式、當地氣溫特性以及當地居民空調使用習慣所決定的。而土壤全年吸收的熱量約為9.5 MkWh，釋放的熱量約為 14.5 kWh，由此可以看出該系統為“負失衡”，且有一部分額外的負荷增加了系統的不平衡率，即生活熱水負荷。出現這個現象的原因主要有兩個:

1)通常夏熱冬冷地區空調采用風機盤管制冷和供熱，由于長江中下游地區的溫度特性，空調系統全年需要的冷負荷會大于熱負荷，或者冷熱負荷差不多，這就決定了地源熱泵系統熱平衡問題表現為“正失衡”，或者因為不平衡率較小，系統冷熱平衡。然而該小區采用夏季風機盤管制冷，冬季地板采暖供熱的空調末端形式，因為風機盤管對流換熱制冷速度快的特性，住戶只需要在有人的房間開啟風機盤管，就能滿足舒適性要求，所以夏季風機盤管的同時使用率較低。而冬季因為地板采暖熱輻射的特性，需要較長時間的蓄熱才能達到用戶的熱舒適性要求，所以一家住戶的每個房間的地板采暖系統必須同時開啟，才能滿足需求，導致在沒有人的房間也有了負荷，所以冬季熱負荷會大于夏季冷負荷，這是系統表現為“負失衡”的決定因素。

2)該工程的地源熱泵系統為整個小區提供生活熱水，對比圖2，圖3和計算的用戶冷熱量、系統吸放熱量，可以發現，夏季生活熱水負荷承擔了機組向土壤排放的一部分熱量，冬季增加了機組向土壤取出的熱量，且生活熱水負荷比較大，所以全年生活熱水的負荷大大增加了系統的熱不平衡率。

無論地源熱泵系統出現“正失衡”或者“負失衡”，如果失衡率較大，表明該系統可能無法長期穩定的運行。文獻［2］［6］均提出:當不平衡率較小，即全年取放熱比小于1.2時，由于土壤本身具有一定的熱擴散能力，土壤熱不平衡對熱泵運行影響不大，不需要采取熱平衡措施;當取放熱比大于1.2時，則要采取措施調整土壤熱平衡。

3 熱平衡問題的解決方案［8］

地埋管地源熱泵的熱平衡問題不是一個技術難題，出現的原因主要是設計和運行管理的不當。所以解決熱失衡問題可以從兩個方面著手:1)系統設計時考慮合理的冷熱負荷，與地埋管數量相匹配，確定合理的地埋管間距，增加系統調峰設施。2)因為機房操作人員多為非暖通專業技術人員，缺乏熱平衡問題及其影響因素的相關理論知識，他們認為自動控制就是最節能的運行方案，不需要手動調節，或者是嫌麻煩，在負荷大的時候不開啟調峰設施進行調峰，所以要培訓操作人員，規范運行管理。

本文就從設計階段或工程改造方面提出熱平衡問題的各種解決方案，做了簡單的總結:

1)系統全年“正失衡”問題解決方案。

在長江中下游夏熱冬冷地區，地源熱泵系統主要表現為正失衡，部分地區不平衡率較低，表現為熱平衡。解決夏熱冬冷地區正失衡問題的常規解決方案有:

方案1:地埋管+地源熱泵機組+冷卻塔。

對于夏季冷負荷較大的工程，可在夏季將系統部分熱量通過冷卻塔排到大氣中，減少土壤夏季吸收的熱量，從而達到土壤全年溫度的平衡。

方案2:地埋管+熱回收式熱泵機組。

近年住宅建筑的設計中逐漸采用集中供生活熱水的方式，回收熱泵機組將本該排放到地下土壤的冷凝熱，用于加熱生活熱水，從而減少熱量向土壤的排放。

方案3:地埋管+地源熱泵機組+蓄冷設備。

若系統按冬季供熱負荷設計，且系統全年向土壤排放的熱量比吸收的熱量多，多出的部分可由蓄冷等設備來承擔，補償地源熱泵夏季供冷量的不足，從而保證土壤熱平衡。

2)系統全年“負失衡”問題解決方案。

本文前面已經提到，夏熱冬冷地區有部分地源熱泵系統末端形式為風機盤管加地板采暖，或者供熱時間較長，實際運行后會出現全年制冷量小于供熱量的情況，并且工程的生活熱水也是由熱泵機組提供，所以熱平衡問題表現為負失衡。解決夏熱冬冷地區負失衡問題的解決方案有:

方案4:地埋管+地源熱泵機組+輔助熱源。

對于冬季熱負荷較大或者供熱時間較長導致系統全年放熱量小于吸熱量的夏熱冬冷地區，熱泵系統的長期運行必然導致土壤熱失衡，為了使機組長期穩定的運行，可以增加輔助熱源來減少系統從土壤中吸收的熱量，如工業廢水熱回收、城市熱水管網或者電加熱設備等。

方案5:地埋管+地源熱泵機組+太陽能系統。

若地源熱泵系統是按夏季冷負荷進行系統設計，那么用戶冬季高出夏季的那部分負荷需求則采用太陽能制熱水的方式來承擔，從而減少熱泵系統從土壤中吸收的熱量，既解決了熱平衡問題，又使系統更加節能。

4 結語

1)地源熱泵系統熱平衡問題是由建筑所需的冷熱負荷決定的，而建筑實際所需的冷熱負荷是由建筑當地的氣溫特性和空調系統末端形式決定的。所以設計前期準確的負荷計算和空調末端形式的考慮是解決系統熱平衡問題的關鍵。

2)地源熱泵系統熱失衡的程度受生活熱水負荷的影響。當系統“正失衡”時，生活熱水負荷的產生或者變大，會使得系統熱失衡率變小，或者接近熱平衡;當系統“負失衡”時，生活熱水負荷的產生或熱水負荷變大，系統熱失衡率反而會越大。所以設計階段，生活熱水負荷的考慮和準確計算也是解決系統熱平衡問題的關鍵。

3)夏熱冬冷地區，大部分地源熱泵系統都存在熱平衡問題。部分系統不平衡率較低，不影響機組正常運行;部分系統表現為“正失衡”，通過冷卻塔等輔助設備可以解決。但是空調末端為風機盤管加地板采暖的系統，表現為“負失衡”，這與夏熱冬冷地區典型的正失衡問題不同，筆者將通過調研不同的工程，對這個問題做深入研究。

［1］徐 偉.地源熱泵技術在中國建筑中的應用［J］.暖通空調標準與質檢，2008(4)：5-9.

［2］楊衛波，陳振乾，施明恒.跨季節蓄能型地源熱泵地下蓄能與釋能特性［J］.東南大學學報，2010，9(5)：973-978.

［3］Zeng Heyi，Diao Nairen，Fang Zhaohong.Efficiency of vertical geothermal heat exchangers in the ground source heat pump system［J］.Journal of Thermal Science，2003，12(1)：77-81.

［4］姚靈鋒，蔡龍俊.地源熱泵熱平衡問題的研究及工程應用［J］.節能技術，2009，27(154)：140-144.

［5］Jun Gao，Xu Zhang.Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers：A case study.Applied Thermal Engineering，2008，28(17)：2295-2304.

［6］魏唐棣.地源熱泵地下豎埋管換熱器性能研究［D］.重慶：重慶大學，2001.

［7］馬宏權，龍惟定.地埋管地源熱泵系統的熱平衡［J］.暖通空調，2009，39(1)：102-106.

［8］何耀東，孟 震.地源熱泵長期有效發展的核心——夏冬季巖土體排熱量的動態平衡［J］.暖通空調，2009，39(11)：74-76.