土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中現(xiàn)存問題及對策分析

許本亮，張 萍，馬景輝

（1.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310000；2.浙江理工大學(xué)，浙江杭州 310000）

土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中現(xiàn)存問題及對策分析

許本亮1，2，張 萍1，馬景輝2

（1.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310000；2.浙江理工大學(xué)，浙江杭州 310000）

土壤源熱泵方面的研究主要針對土壤源熱泵換熱性方面，相關(guān)研究已經(jīng)很豐富，而針對水力方面雖然已有一定研究，但仍然寥寥可數(shù)，并且由于受到條件限制，或者實(shí)際情況的差異，導(dǎo)致不同研究的結(jié)果各不相同，適應(yīng)性也比較窄，而且大多數(shù)研究主要是通過理論計算來獲得一些結(jié)果。因此造成了這樣一種結(jié)果：研究更趨向理論，換熱方面多，經(jīng)濟(jì)性方面也有，水力計算方面則偏少，整體性方面，包括水力、換熱以及經(jīng)濟(jì)性三方面綜合考慮的幾近于零。因此對土壤源熱泵整體性考慮來獲得一個最優(yōu)控制策略比較有意義，對相關(guān)工程也有一定參考意義。

土壤源熱泵；運(yùn)行；控制策略

1 背景與意義

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部儲藏的可再生資源，一般而言它受資源、地域的限制較少，并且資源可以說近乎無限，而土壤源熱泵技術(shù)是對地?zé)崮荛_發(fā)利用的一種節(jié)能新技術(shù)[1-8]。它以其自身的優(yōu)勢，近幾年廣為興起進(jìn)入了發(fā)展的黃金期，而從它的實(shí)際應(yīng)用情況來看，完全可以取代以往暖通空調(diào)中鍋爐等會對環(huán)境造成污染的設(shè)備，且在極端天氣以及一些環(huán)境惡劣的地區(qū)，土壤源熱泵由于相對穩(wěn)定的地下熱源溫度，始終能達(dá)到非常好的效果，具有顯著的優(yōu)勢。

目前在我國，土壤源熱泵方面的研究主要針對土壤源熱泵換熱性方面[1-7]，相關(guān)研究已經(jīng)很豐富，然而針對水力方面雖然已有一定研究，但仍然寥寥可數(shù)，并且由于受到條件限制，或者實(shí)際情況的差異，導(dǎo)致不同研究的結(jié)果各不相同，適應(yīng)性也比較窄，而且大多數(shù)研究主要是通過理論計算來獲得一些結(jié)果。因此造成了這樣一種結(jié)果：研究更趨向理論，換熱方面多，經(jīng)濟(jì)性方面也有，水力計算方面則偏少，整體性方面，包括水力、換熱以及經(jīng)濟(jì)性三方面綜合考慮的幾近于零。因此對土壤源熱泵整體性考慮來獲得一個最優(yōu)控制策略比較有意義，對相關(guān)工程也有一定參考意義。

2 土壤源熱泵系統(tǒng)簡介

地球土壤層是一個龐大的集熱體，它每年能吸收40% 以上的太陽能，比人類每年能源消耗量的數(shù)百倍，且地下溫度一年四季始終保持恒定，因而隨著環(huán)境溫度一年四季的變化，地下溫度呈現(xiàn)出冬暖夏涼的特點(diǎn)。

土壤源熱泵系統(tǒng)原理與傳統(tǒng)空氣源熱泵差別不大，具體原理如圖1所示，藍(lán)色和粉紅色箭頭所構(gòu)成的循環(huán)回路是土壤源熱泵系統(tǒng)與土壤熱能之間換熱的回路，換熱介質(zhì)為水，洋紅色與綠色箭頭所構(gòu)成的循環(huán)為土壤源熱泵系統(tǒng)與室內(nèi)空調(diào)機(jī)組末端之間換熱的回路，其換熱的介質(zhì)為空氣也可以是水[9]，不同季節(jié)之間回路轉(zhuǎn)換可通過系統(tǒng)內(nèi)部的閥門 Y1-Y4來控制，具體轉(zhuǎn)換詳見圖中表格。

圖1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖

3 土壤源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 環(huán)保節(jié)能

土壤源熱泵系統(tǒng)利用水作為介質(zhì)來獲得地下土壤的熱能，冬季可以作為熱泵的熱源代替常規(guī)熱源供暖，而夏季又可作為空調(diào)制冷的冷源代替常規(guī)冷卻塔制冷，且僅需少許電能供應(yīng)就可運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。機(jī)組在運(yùn)行中，不消耗水，占地面積小，對環(huán)境基本無污染，具有顯著的環(huán)保作用。

當(dāng)前，我國政府提倡大力發(fā)展土壤源熱泵技術(shù)，廣泛采用可再生能源，而且中央建設(shè)部又明確地將土壤源熱泵技術(shù)列為建筑行業(yè)十項新技術(shù)之中，從一定程度上來說，土壤源熱泵具有廣闊的發(fā)展前景，潛力非常巨大[10]。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定壽命較長

相對于空氣來說，土壤具有熱容量巨大，所含熱能近乎無限，不受氣候環(huán)境變化影響，全年溫度基本穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。從而使得土壤源熱泵系統(tǒng)不像空氣源熱泵容易受到外界影響，運(yùn)行效率高，且埋地管采用聚合塑料制成，壽命可達(dá)數(shù)十年，比普通空調(diào)系統(tǒng)使用的年限更久。

3.3 系統(tǒng)控制靈活

土壤源熱泵可采用多級分集水器，由多個機(jī)組分別控制該區(qū)域地下埋管回路，在負(fù)荷較大時，各機(jī)組可同時運(yùn)行保證冷熱量的供應(yīng)；在負(fù)荷較小時，可啟閉部分機(jī)組及地埋管回路，有效減少能源浪費(fèi)，提高整個土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.4 初期投資較大

由于地下土壤熱阻較大，能源品位較低，且地埋管內(nèi)流體介質(zhì)與地下土壤之間熱交換效率較低，因此地埋管系統(tǒng)的布置通常需要比較大的面積或者埋管深度上的增加，即需要進(jìn)行一定深度的鉆孔或者開挖較多的土壤，這直接導(dǎo)致了初期較大的投入。

3.5 長期運(yùn)行導(dǎo)致地?zé)岵黄胶?/p>

土壤源熱泵地下埋管系統(tǒng)在于土壤進(jìn)行連續(xù)吸熱放熱過程中，會導(dǎo)致土壤溫度出現(xiàn)大幅度的波動，從而破壞地下局部土壤的熱平衡，導(dǎo)致在冬季采暖時土壤溫度降低、夏季制冷時土壤溫度升高等結(jié)果，直接影響了熱泵系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行過程的效率，同時在冬季工況下有可能因?yàn)槿徇^多而導(dǎo)致土壤凍結(jié)的結(jié)果，這都嚴(yán)重影響了土壤源熱泵的性能。

3.6 對系統(tǒng)設(shè)計施工要求高

要保證土壤源熱泵能夠高效持久運(yùn)行，盡可能接近理論值，這要求整個工程從項目設(shè)計到施工都要具備較高的技術(shù)水平，而在現(xiàn)實(shí)中，往往由于缺少相應(yīng)的具備相關(guān)能力的人才，而使得土壤源熱泵工程竣工運(yùn)行達(dá)不到理想的結(jié)果，甚至得不償失，該項技術(shù)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用也從某種程度上受限于此。

4 土壤源熱泵系統(tǒng)問題分析

4.1 水力平衡問題

4.1.1 水力平衡問題的由來

土壤源熱泵是以室外地下埋管系統(tǒng)由流質(zhì)作為介質(zhì)，將地下低品位熱能帶到系統(tǒng)中加以利用，由于地埋管系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，任何細(xì)小的差別都會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不正常，在以往的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，土壤源熱泵地埋管系統(tǒng)往往剛剛投入不久系統(tǒng)就開始出現(xiàn)問題，由于各環(huán)路水力平衡度相差太大，使得工質(zhì)在實(shí)際流動的情況與預(yù)期設(shè)計的情況不相符，部分環(huán)路甚至直接產(chǎn)生短路效應(yīng)，另一方面，在前述情況的前提下，系統(tǒng)長時間運(yùn)行以后，部分環(huán)路由于流體流量較小，管路常年呈不飽和狀態(tài)，使得其部分管段沉積雜物甚至阻塞，直接導(dǎo)致管路壽命終結(jié)，由于地下埋管深埋土地層深部，從外部無法獲知地埋管系統(tǒng)具體情況，故無法進(jìn)行有效修復(fù)，所以，地埋管環(huán)路如果阻塞損壞，則意味著直接宣告報廢。從而整個系統(tǒng)無法正常工作。

4.1.2 水力失衡的原因

導(dǎo)致地埋管環(huán)路水力失衡的因素很多，以下面幾個原因較為常見：

（1）設(shè)計初期沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃Ψ治鲇嬎悖?/p>

（2）實(shí)際安裝過程中沒有嚴(yán)格按照工程圖紙安裝；

（3）為節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用而隨意關(guān)閉部分環(huán)路。

要規(guī)避這些原因，必須要求設(shè)計師具有一定的知識水平，在設(shè)計初期對整個建筑周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)考察，最后設(shè)計出圖紙，此外，在對整個系統(tǒng)的設(shè)計中，避免設(shè)計偏大，就必須進(jìn)行詳細(xì)分析計算。

4.2 熱平衡問題

4.2.1 熱平衡問題的由來

在實(shí)際運(yùn)行中，土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤蓄存的熱量與向土壤蓄存的冷量一般不可能完全抵消，雖然單根地埋管的對土壤的吸放熱作用可以靠土壤自身消除熱溫度失衡帶來的影響。但是面積稍微較大的土壤源熱泵管群共同作用時，就會使得局部區(qū)域的溫度失衡，從而導(dǎo)致土壤溫度的稍微波動，而在系統(tǒng)長期運(yùn)行以后，這種影響就會使得土壤溫度呈現(xiàn)連續(xù)的升高或者降低的趨勢，從而使得地埋管群換熱溫差變小，換熱效率下降。此外，土壤溫度的不斷變化甚至可能破壞土壤微生物的生存環(huán)境，并有可能對人類生活造成影響。

國內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)對土壤源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究[10]，研究人員采用 3% 和 10% 的冬夏熱不平衡率作為初始條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)果是：5a 的運(yùn)行之后，3%和 10% 熱不平衡率的土壤，其溫度分別升高了 0.51℃和 2.77℃。結(jié)果表明熱不平衡率越大，土壤溫度變化也越大，對系統(tǒng)換熱影響也越大。

4.2.2 土壤熱平衡問題分析

由于建筑帶來的冷熱負(fù)荷不平衡，如果空調(diào)冷熱負(fù)荷全部由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，那么系統(tǒng)從土壤中吸收蓄存的冷熱量也就不平衡。當(dāng)不平衡率超過一定范圍，隨著土壤源熱泵系統(tǒng)不斷的運(yùn)行，土壤中熱量或冷量不斷堆積，最后就導(dǎo)致了土壤溫度的逐漸升高或不斷降低。

4.2.3 土壤熱平衡問題原因

造成土壤熱不平衡的原因主要是以下幾方面：

（1）建筑夏季所需的冷負(fù)荷與冬季所需的熱負(fù)荷差別比較大；

（2）為了節(jié)省初投資，在設(shè)計時減少了地埋管的數(shù)量，并且沒有附加輔助設(shè)備；

（3）施工不到位，運(yùn)行管理不合理。

4.2.4 土壤熱平衡問題的解決方法

如何解決土壤熱平衡問題，主要可以考慮下面兩個因素：（1）采用輔助散熱設(shè)備消除熱量峰值影響；

（2）調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行策略，適當(dāng)讓系統(tǒng)停止工作，讓土壤處于溫度恢復(fù)狀態(tài)。

4.3 系統(tǒng)生命周期投資問題

4.3.1 投資問題的由來

土壤源熱泵投資問題是橫亙在推廣土壤源熱泵發(fā)展上的一大難題，一般而言，初投資有很大一部分集中在地下鉆孔上面，在我國，地下鉆孔平均大約 100 元 /m，高昂的挖井費(fèi)用使得很多想要采用土壤源熱泵系統(tǒng)的公司望而卻步，一般來說，一個中型建筑采用土壤源熱泵系統(tǒng)，需要在地上鉆100～200口井，平均深度60m，那么總鉆孔費(fèi)用則大概在60～120萬元，而在實(shí)際中，所花費(fèi)的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一數(shù)值。因?yàn)殂@孔受到很多地下土壤未知因素的影響，比如土質(zhì)，深度等。

4.3.2 緩解初投資過大

為了推廣土壤源熱泵系統(tǒng)，必須解決初投資過大的問題，主要方式有以下兩點(diǎn)：

（1）在系統(tǒng)中添加一個輔助散熱 /供熱設(shè)備；

（2）部分采用土壤源熱泵系統(tǒng)，部分采用其他方式供熱/制冷。

雖然初投資過大，但是從整個生命周期來看，土壤源熱泵仍然不失為一個比較好的選擇，通過兩個同樣條件下的土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比較可以發(fā)現(xiàn)，土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于較為省電，年運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通中央空調(diào)系統(tǒng)。因此，在考慮采用土壤源熱泵系統(tǒng)時，要充分考慮整個周期內(nèi)的費(fèi)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，在實(shí)際工程中比較常用的地源熱泵通常是垂直埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)占地面積相對來說較小，對環(huán)境污染較小并且換熱性能較好，雖然初投資較大并且長期運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性會下降，但是綜合考慮各種因素，仍然不失為一個比較好的選擇。對于具體工程案例需要首先對系統(tǒng)冷熱負(fù)荷進(jìn)行校核分析，經(jīng)校核需采用復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng)的，在實(shí)際運(yùn)行控制策略中需要合理調(diào)配二者之間分擔(dān)的負(fù)荷。

1）對解決已有系統(tǒng)的水利不平衡問題，一般采用設(shè)置平衡閥的方式。

2）根據(jù)實(shí)際用戶需求以及泵與管網(wǎng)特性曲線調(diào)節(jié)流量。

3）夏季分時段調(diào)節(jié)冷卻塔以及地埋管束相應(yīng)的運(yùn)行工況，一般而言，為了減弱土壤熱不平衡趨勢，在夏季系統(tǒng)工作時應(yīng)盡可能多地使用冷卻塔與地埋管束同時工作。但是在制冷負(fù)荷需求最大并且已經(jīng)采用冷卻塔加入工作的時候，需要保證地埋管束的工作流量不小于最小熱失衡流量，以滿足系統(tǒng)需求。

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Discussion on the Existing Problems and Countermeasures in the Operation of Ground Source Heat Pump System

Xu Ben-liang，Zhang Ping，Ma Jing-hui

At present，the research on geothermal heat pump in China is mainly aimed at the heat transfer of the geothermal heat pump.The related research has been very rich.However，although there are some studies on the hydraulic aspects，there are still few，And because of the conditions of the constraints，or the actual situation of the differences，resulting in different research results are different，adaptability is relatively narrow，and most of the research is mainly through the theoretical calculation to get some results.As a result，there is a tendency to study the theory，the heat transfer，the economic aspects，the hydraulic calculation is less，the overall aspects，including water，heat and economic aspects of the three considerations zero.Therefore，it is meaningful to consider the optimal control strategy for the overall consideration of the geothermal heat pump，which also has some reference significance for the related engineering.

ground source heat pump；operation；control strategy

TU83

B

1003-6490（2017）06-0169-03

2017-05-02

許本亮（1984—），男，河南商丘人，助教，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能。