地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡_圖文

1、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡*同濟大學 馬宏權(quán)m 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Ground heat balance in GSH PBy Ma H ongquannand Long WeidingAbstr a ct Discusses the ca use and ef fect of gr ound he at bala nce in GSHP ,and puts f or ward the technica l conside

2、r ations for solving this pr oble m.Based on test data of actual projec ts,discusses the optimize d system design f undamenta l and ope ra tionmode.Keywor ds GSHP,heat balance,optim izat iondesignn Tongji Univers ity,Shanghai ,China*科技部、上海市政府部市合作2005年世博科技專項課題5城市清潔能源高效利用系統(tǒng)技術(shù)研究與示范6資助項目(編號:05dz05807,20

3、05B A908B070 引言地埋管地源熱泵(ground 2coupled heat pump系統(tǒng)的研究和項目實施是我國地源熱泵(ground source heat pump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(gr oundwater heat pump 和地表水地源熱泵(surface water heat pump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(ground heat exchanger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心,因此適用性更廣,安全穩(wěn)定性更高,尤其在夏

4、熱冬冷地區(qū)不失為一種新的空調(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m 2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(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

5、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)承擔全部空調(diào)負荷

6、,大多數(shù)情況下其全年的取放熱¹m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號同濟大學嘉定校區(qū)132306信箱(02169584901E 2mail:m hqtj 收稿日期:2007209221修回日期:2008201208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、流速等都對

7、單個地埋管換熱器的傳熱過程產(chǎn)生影響。地埋管換熱器群中特定位置的土壤溫度變化還受臨近位置多個地埋管換熱器溫度波在該處迭加的影響?？照{(diào)運行期間,周期性變化的負荷輸入加上過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的停運,引起了地埋管換熱器周圍的土壤溫度場總處在/升溫y 降溫y 升溫0的循環(huán)變化過程中。土壤的散熱包括兩方面,一方面為地下水遷移帶走的熱量,另一方面為土壤的熱傳導(dǎo)所帶走的熱量,散熱的對象都是大地,由于大地本身具有足夠大的容積,所以只要設(shè)計能保持每年空調(diào)系統(tǒng)從地下取放熱差值不超過土壤固有的散熱能力,就可以保持全年的熱平衡。2 土壤熱平衡的特征2.1 土壤熱平衡的時間尺度土壤熱失衡問題與地埋管地源熱泵的運行過程緊密相關(guān)

8、,但是它所針對的并不是系統(tǒng)某個夏季運行中的土壤溫升或冬季運行中的土壤溫降,而是運行一個周期年之后土壤溫度與初始土壤溫度的變化,以及連續(xù)運行多年后土壤熱堆積對系統(tǒng)運行特性的影響。因此,分析土壤熱失衡問題的時間尺度應(yīng)該是系統(tǒng)壽命周期內(nèi)以a (年為單位的離散點。1a 的土壤累計溫升可能只是1e 的量級,對熱泵機組和系統(tǒng)效率影響不大,但是如果處理不當,5a 或10a 后的溫升就會較高,造成系統(tǒng)運行情況明顯惡化。2.2 土壤熱失衡問題的影響因素空調(diào)季節(jié)地埋管換熱器內(nèi)的逐時負荷輸入造成土壤溫度波向遠離地埋管換熱器壁面方向傳遞,但對于遠離其壁面不同距離處有不同的峰值衰減和時間延遲,此時,土壤是熱泵的熱源或熱

9、匯,熱量是通過地埋管換熱器內(nèi)的強制對流逐次傳遞給土壤的。而過渡季節(jié)空調(diào)停運時的土壤熱擴散則是自然傳熱過程,地埋管換熱器附近的土壤由于其儲熱向遠處擴散而造成自身溫度緩慢趨于初始值?？梢娡寥赖臒崞胶馐莻€復(fù)雜多變的過程,量化分析有理論上的困難3,但更為麻煩的是復(fù)雜的分層地質(zhì)差異、多變的地下水含量與流速、長期運行空調(diào)逐時負荷的變動等諸多微觀因素,使得貼近實際情況的模擬軟件模型搭建困難,如此長模擬時間對于實際情況的偏差也難以控制4。但排除地埋管換熱器換熱效果的影響,土壤熱失衡問題應(yīng)從冬夏空調(diào)負荷情況、地埋管換熱器的間距、地埋管換熱器系統(tǒng)構(gòu)成和實際運行情況幾方面進行分析。空調(diào)負荷差異是土壤熱失衡問題出現(xiàn)的

10、根源,但是對于具體項目這是確定的和難以改變的,而系統(tǒng)構(gòu)成和間距則在設(shè)計中可以調(diào)整和優(yōu)化,后期運行管理是落實設(shè)計中技術(shù)措施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計合理的系統(tǒng)如果管理運行不當,也會造成全年熱失衡或季節(jié)局部土壤熱平衡不利,因此地埋管地源熱泵的熱失衡問題應(yīng)該主要通過優(yōu)化設(shè)計和規(guī)范管理來共同解決。2.3 土壤溫度變化的趨勢分析地埋管換熱器周圍的土壤溫度變化總是由內(nèi)向外逐層傳遞,任何一點的逐時溫度主要由冬夏季節(jié)兩條周期性變化的日平均溫度波的相位和波幅疊加決定,同時還受空調(diào)間歇運行造成的多條逐時溫度波變化影響。因此,全年在以地埋管換熱器中心為半徑的各層土壤的溫度變化規(guī)律大致相同,可以近似認為是多組以年為周期波動的正

11、弦曲線。地埋管換熱器近壁處土壤的溫度波動幅度較大,豎直地埋管換熱器半徑方向上各處溫度振幅迅速衰減,這是因為土壤換熱作為管內(nèi)強迫傳熱和管外自然傳熱的一種復(fù)合傳熱過程,其熱阻主要是管外的土壤熱阻,因此土壤對傳熱的波峰衰減和時間延遲就顯得非常明顯5。淺層土壤隨全年大氣溫度波動和太陽輻射變化時的溫度變化情況也可以形象地說明這一點,圖3為從國家氣象局實測數(shù)據(jù)整理得到的上海淺層土壤歷年月平均溫度,可見3.2m 處土壤溫度的波幅就小于地表的1/5,波峰出現(xiàn)的時間也延遲了近4個月。 圖3 某項目淺層土壤溫度變化情況當夏季工況結(jié)束時,地埋管換熱器周圍土壤溫度場并沒有馬上進入恢復(fù)階段,而是按照該處土壤滯后的相位溫

12、度繼續(xù)逐次升高,直至達到該處波峰,這個相位的延遲越遠,離地埋管換熱器需要的時間越久。這說明土壤自身的熱擴散和溫度恢復(fù)能力是比較差的,原因在于土壤本身的熱阻要高于管內(nèi)對流熱阻和管壁的熱阻,因此隨著散熱半徑的增大,地埋管換熱器總熱阻迅速增大,土壤完全依靠自身擴散取得熱平衡所需的恢復(fù)時間增長。同時由于土壤溫度的傳遞是動態(tài)的,需要認真分析不同地埋管換熱器溫度波的疊加,比如夏季剛開始運行時,地埋管地源熱泵的散熱效果是比較好的,但如果持續(xù)運行,當不同地埋管換熱器的溫度波開始疊加而互相影響后,就會出現(xiàn)冷卻水溫度升高和系統(tǒng)效率下降的情況,此時土壤溫度將進入快速上升期,此后地埋管地源熱泵的持久運行特性將變差。因

13、此應(yīng)根據(jù)需要合理設(shè)定地埋管換熱器的布置間距,如能適當增加地埋管換熱器鉆孔的深度,也將有利于提高地埋管地源熱泵系統(tǒng)的持久運行特性。3 某地埋管地源熱泵土壤溫度變化實測分析測試項目位于武漢市,地埋管地源熱泵系統(tǒng)為總建筑面積38000m 2的約200戶小高層住宅居民提供空調(diào)冷熱源。項目設(shè)計夏季總冷負荷1560kW,冬季熱負荷1000kW,地埋管換熱器安裝于2002年,共采用240個70m 深的地埋管換熱器,鉆孔間距為4m 。該地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)有輔助冷卻塔,但系統(tǒng)從2004年夏季開始運行至今,由于尚未出現(xiàn)冷卻水溫度持續(xù)超過設(shè)計值,因此冷卻塔從未投入使用。本文整理了該系統(tǒng)從2005年冬季開始連續(xù)3個

14、季度的監(jiān)測記錄,剔除數(shù)據(jù)不全日期后的匯總數(shù)據(jù)見圖49,分析可得出如下幾條規(guī)律:1由圖46可見,地埋管地源熱泵冬夏運行時,土壤溫度的日變化很小,但是對比圖4和圖6可見,2006年1月7日比2005年1月7日的土壤溫度有明顯的升高,這證明了地埋管地源熱泵的熱平衡是長期運行特性的反應(yīng)。而且距離地埋管換熱器中心越遠,土壤溫度受地埋管換熱器的影響越小,并且溫度值越接近土壤的初始溫度越穩(wěn)定。2對比圖7和圖8可見,夏季土壤溫升比冬季土壤溫降明顯,沿豎直地埋管換熱器半徑方向的衰減也更為迅速,這說明夏季空調(diào)負荷強度大于冬季。3對比圖4和圖6以及圖7和圖9,均可見地埋管地源熱泵運行一年后,各層土壤的溫升為1.52

15、e ,從冬季運行數(shù)據(jù)來看,距離地埋管換熱器中心越近溫升越明顯。可以預(yù)測,對比不同周期年夏季運行工況中得到的測試數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)距離地埋管換熱器中心越近溫升越大的趨勢。而這兩種趨勢可以導(dǎo)致周期年后地埋管地源熱泵系統(tǒng)的冬季制熱效率稍有提升但夏季制冷效率明顯下降。4國內(nèi)土壤熱失衡的幾種常見情況分析國內(nèi)的地埋管地源熱泵運行時間都不很長,其持久運行情況還有待觀察。從目前運行中暴露出來的問題來看,運行中的土壤熱失衡主要可以分為以下幾種情況:1出現(xiàn)最多的情況是為了節(jié)省地埋管地源熱泵系統(tǒng)的初投資,地埋管換熱器數(shù)量布置過少,從而引起空調(diào)季持久運行特性變差。市場中惡性競爭引起的價格戰(zhàn)助長了這種行為的蔓延,應(yīng)該引起足夠重

16、視。2另外一種出現(xiàn)較多的情況是由于可供地埋管換熱器布置的面積較小,從而減小了地埋管換熱器間距,使得單個地埋管換熱器的擴散半徑減小,降低了持久運行特性。3熱泵機組與地埋管換熱器組群設(shè)置不匹配,造成局部土壤溫升過高。4復(fù)合式系統(tǒng)管理運行不當。因為操作人員嫌麻煩,空調(diào)季隨著負荷增長不及時甚至完全不開啟調(diào)峰設(shè)施,或經(jīng)常在空調(diào)負荷不大時只開調(diào)峰設(shè)施而不運行地埋管地源熱泵系統(tǒng),都將影響調(diào)峰設(shè)施的冷熱平衡功能,導(dǎo)致系統(tǒng)冬夏季節(jié)取放熱量不平衡率大于設(shè)計值,土壤出現(xiàn)熱堆積。這種情況在一些大項目中已出現(xiàn)較多且沒有引起足夠的重視。5運行管理不完善,造成不必要的運行困難。有些操作人員在部分負荷時間只開啟部分熱泵機組,

17、但不關(guān)閉其余熱泵機組的閥門,導(dǎo)致運行中機組的冷卻水流量因為分流而過小,從而冷卻水溫升過高。這種問題其實不屬于土壤熱平衡問題,完全可以通過改進運行管理來方便地解決。5土壤熱失衡的解決方法地埋管地源熱泵的熱失衡問題并不是技術(shù)上的難題,完全可以通過系統(tǒng)的合理設(shè)計和規(guī)范化的運行管理進行規(guī)避。解決的方法在于減小地埋管換熱器群的密集度和冷熱負荷的不平衡率,前者可以通過增大地埋管換熱器布置的間距、減小地埋管換熱器單位深度承擔的設(shè)計負荷等措施進行,而后者可以通過設(shè)置系統(tǒng)調(diào)峰、采用熱泵機組熱回收技術(shù)減少夏季排熱等措施實現(xiàn)。相比較而言,減小地埋管換熱器群的密集度需要增加地埋管換熱器布置面積,因而其實施受實際情況限

18、制,但對于系統(tǒng)持久安全運行更有用。采用系統(tǒng)調(diào)峰等措施可以將土壤溫升控制在一定范圍內(nèi)并獲得較好的經(jīng)濟性,但合理的調(diào)峰比例需要根據(jù)空調(diào)負荷情況作技術(shù)經(jīng)濟分析確定。目前地埋管換熱器制冷和制熱的出力一般按照持續(xù)穩(wěn)定24h后的土壤熱特性測試結(jié)果作為參考依據(jù)進行設(shè)計,雖然這些測試數(shù)值考慮了系統(tǒng)連續(xù)運行后的效率下降,但不能反映地埋管換熱器組 群之間的互相影響,因此實際使用當中要進行修正6。有調(diào)峰的復(fù)合式系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性更好,因此條件具備時應(yīng)該優(yōu)先考慮作為解決土壤熱失衡的主要措施。但是應(yīng)該注意調(diào)峰系統(tǒng)同時也提高了剩余地埋管換熱器的使用頻率,因此調(diào)峰后土壤承擔的冬夏負荷不宜相差過大。利用帶熱回收功能的地埋管地源

19、熱泵機組提供生活熱水,在冬季增加了地埋管地源熱泵系統(tǒng)的取熱負荷,在夏季回收了熱泵機組向地下的冷凝排熱,在過渡季節(jié)部分帶有全熱回收功能的熱泵機組還可以作為熱水機使用從地下取熱,這對緩解土壤熱失衡非常有益,同時也可以提供廉價的生活熱水,對有生活熱水需要的項目也是非常適合的一個技術(shù)手段。此外,條件適合時還可以采用以下技術(shù)手段緩解土壤熱失衡問題:1將地埋管換熱器與熱泵機組對應(yīng)設(shè)置成多個回路,輪流使用,部分負荷時優(yōu)先使用地埋管換熱器布置的周邊回路,以延長地埋管換熱器的溫度自然恢復(fù)時間,避免中心局部過熱。2在地埋管換熱器布置場地中心位置布置溫度傳感器,對空調(diào)季土壤溫度進行實時檢測,當土壤溫升超過規(guī)定數(shù)值后

20、,啟動調(diào)峰系統(tǒng)運行。條件合適的地埋管地源熱泵機房還可以設(shè)置自動控制和管理系統(tǒng),以確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)處于較好的控制和調(diào)節(jié)狀態(tài)。3地埋管地源熱泵即使不采用復(fù)合式系統(tǒng),也可以預(yù)留冷卻塔位置和接口,以保證如果持續(xù)運行出現(xiàn)土壤溫升超出控制范圍,啟動冷卻塔輔助冷卻。4對冬夏季節(jié)土壤熱負荷差異較大的項目可以采用夏季冷卻塔優(yōu)先開啟運行的復(fù)合式系統(tǒng),或者在空調(diào)不運行的夜間將冷卻塔和地埋管換熱器串聯(lián)使用以冷卻地下土壤,可以很好地解決熱失衡問題,并不影響系統(tǒng)經(jīng)濟性。由于地埋管地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的主要節(jié)能優(yōu)勢在冬季,在夏季,常規(guī)冷水機組的效率提升并不明顯,因此在夏季靈活啟動冷卻塔并不降低系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性

21、,但可以很好地改善土壤熱失衡狀況。6結(jié)論6.1我國的地埋管地源熱泵運行時間不長,尚未暴露出土壤熱失衡的嚴重后果。但鑒于我國快速發(fā)展的地埋管地源熱泵市場和高度密集的豎直埋管方式,土壤熱失衡問題必須引起足夠重視,沒有土壤熱平衡方案的地埋管地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運行數(shù)年后存在出現(xiàn)效率下降和持續(xù)運行效果變差的巨大風險。6.2土壤熱失衡問題影響因素眾多,量化分析和數(shù)值模擬均較為困難,但最主要的兩個影響因素是單位地埋管換熱器鉆孔深度年運行熱凈差和地埋管換熱器的布置間距。因此改善地埋管換熱器熱平衡狀況的主要方向是通過優(yōu)化設(shè)計減小空調(diào)系統(tǒng)冬夏累計負荷差異,同時適當增加地埋管換熱器的間距和深度,然后在運行中依靠復(fù)合式

22、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)管理保證系統(tǒng)保持長期穩(wěn)定運行。6.3采用復(fù)合式系統(tǒng)是解決土壤熱失衡問題的較好途徑,根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成制定地埋管換熱器的全年取放熱平衡方案,有助于從根本上減少出現(xiàn)土壤熱失衡,而設(shè)置有效的土壤溫度檢測系統(tǒng)和相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是實現(xiàn)這一措施的關(guān)鍵。6.4應(yīng)當注重和加強對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行管理。地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行管理不善會引起甚至放大土壤冬夏取放熱量的不平衡率,而且可能使系統(tǒng)設(shè)計時所采取的熱平衡措施失效,這也是目前實際中出現(xiàn)問題較多的薄弱環(huán)節(jié)。建議以后對較大的地埋管地源熱泵系統(tǒng)制定具體的全年運行模式和規(guī)范化運行管理規(guī)定,并對操作人員進行相關(guān)培訓,以減少不必要的系統(tǒng)效率下降。參考文獻:1William S F.Ground2source heat pump design andoper ationexper ience within an Asian countr yGMASH RAE T rans,19