嚴寒地區(qū)地源熱泵冷堆積問題淺析

嚴寒地區(qū)地源熱泵冷堆積問題淺析摘要：對地源熱泵系統(tǒng)做了簡單的介紹，對地源熱泵在運行過程中影響地溫冷堆積的因素進行了分析，結合地域特點，并提出了解決冷堆積問題的技術思路。關鍵詞：嚴寒地區(qū)；地源熱泵；冷堆積；換熱器Abstract:Ground-sourceheatpumpsystemisintroducedbrieflyinthispaper,andthefactorswhichhaveeffectonthecoldaccumulationofGroundtemperatureduringtheoperationoftheGSHTareanalyzed,furthermore,Technicalideasarepresentedtosolvetheproblemofcoldaccumulationbycombiningcharacteristicsofregion.Keywords:Coldregion；Groundsource-heatpump；Coldaccumulation；Heatexchanger1.地源熱泵系統(tǒng)簡介地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土作為熱源或熱匯，它是由一組埋于地下的高強度塑料管（地埋管換熱器）與熱泵機組構成。在夏季，水或循環(huán)液通過管路進行循環(huán)，將熱泵釋放的熱量排到地下巖土層；冬季循環(huán)介質(zhì)將巖土層的熱量提取出來經(jīng)熱泵釋放給室內(nèi)環(huán)境。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，效率大大提高，且又不受地下水資源的限制，根據(jù)布置形式的不同，地下埋管換熱器可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。水平埋管方式的優(yōu)點是在軟土地區(qū)造價較低，但缺點是占地面積大，通常不太適合中國地少人多的國情。豎直地埋管換熱器也就是在若干豎直鉆孔中設置地下埋管的地埋管換熱器。由于豎直地埋管換熱器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此已成為工程應用中的主導形式。豎直埋管的方式的鉆孔直徑通常為0.11－0.15m，深度40－150m；在鉆孔中插入高密度聚乙烯(PE)的U型管，然后用回填材料把鉆孔密封，再把各U型管連接成地埋管換熱器。冷堆積問題的提出地源熱泵系統(tǒng)對系統(tǒng)全年冷熱負荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中地下巖土在全年起到蓄熱器的作用，對熱量夏蓄冬供。但在北方嚴寒地區(qū)，冬季供熱的負荷和時間遠大于夏季空調(diào)的負荷和時間，系統(tǒng)多年運行以后地下的平均溫度將逐年降低，影響系統(tǒng)的性能甚至使系統(tǒng)失效。應該指出，在地埋管換熱器所涉及的地層中存在地下水滲流時，對消除或緩解地埋管換熱器中由于冷熱負荷不平衡而引起的冷量或熱量的累積有一定的幫助。但現(xiàn)有的數(shù)學模型和分析還只能對這一現(xiàn)象提供定性的判斷，由于在實際工程中很難得到現(xiàn)場比較可靠的水文地質(zhì)資料，特別是地下水滲流定量的資料，因此現(xiàn)在還難以給出地下水滲流對緩解地下冷量或熱量累積的定量的結論。曾有學者對在沈陽地區(qū)運行的地源熱泵系統(tǒng)冬夏季取排熱量進行了模擬，測試的地層結構為泥巖，共3個孔，孔深100m，孔徑為150mm，1號孔距2號孔為5m，2號孔距3號孔5米，3號孔距1號孔為6m，3個孔的相對位置見圖1：圖1三個測試孔的相對位置圖以三個孔的換熱同時運行，對冬夏季取排熱量進行模擬，得出結論如下：初始階段每個換熱孔的取排熱量還算正常，隨著運行時間的增加，換熱器的熱作用范圍開始重疊，造成這一現(xiàn)象的原因就是地層散熱慢，由熱泵系統(tǒng)排入地下的冷熱量不能盡快地擴散。隨著時間的增加，嚴重時整個熱泵系統(tǒng)由于冷堆積而無法運行。造成地源熱泵冷堆積影響因素分析建筑負荷差異是土壤熱失衡問題出現(xiàn)的根源。而土壤熱平衡過程亦復雜多變，空調(diào)逐時負荷輸入造成熱量通過地埋管換熱器內(nèi)的強制對流傳遞給土壤，土壤又以自然方式向四周擴散使其自身溫度緩慢趨于初始值。而對于東北地區(qū)，冬夏季冷熱負荷相差過大，造成冷堆積。地溫的恢復特性也是影響熱平衡的一個因素。地溫的恢復特性主要取決于地層結構的特性、管群布置形式、系統(tǒng)運行情況、冷熱負荷不平衡率等。特別是地層結構的影響更為明顯，若地層結構為賦水性較好的第四系，這樣的土層換熱性能好，由熱泵排入土壤的冷量會隨著換熱器周圍流動的地下水很快的散失掉，這樣的地層結構，冷堆積的現(xiàn)象就不會出現(xiàn)，而地層結構為泥巖，換熱系數(shù)小，性能差的地層，冷堆積現(xiàn)象比較嚴重。因此，在解決地緣熱泵熱平衡問題時，應該結合具體情況綜合考慮各方面因素，設計出合理的系統(tǒng)方案，實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟節(jié)能運行的目的。冷堆積問題的解決方法要發(fā)揮地源熱泵作為新的、節(jié)能高效的冷熱源優(yōu)勢，就要解決地源熱泵存在的冷堆積問題。針對東北地區(qū)建筑冷熱負荷不平衡的問題，可以通過設置冷量回收、輔助熱源等措施實現(xiàn)。冷量回收，利用地層具備蓄能的特性，在夏初的時候，無需開啟熱泵機組，可以實現(xiàn)由土壤換熱器直接制冷，實現(xiàn)冬儲夏用，從而降低系統(tǒng)的運行費用。輔助熱源，冬季考慮輔以鍋爐或者太陽能集熱器來平衡埋管換熱器需要多向土壤吸取的熱量。從而解決冷堆積的問題。另外，輔助設施的選擇可以根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，充分利用有利條件，因地制宜。比如洗浴用過的廢水、廢熱，我們都可以用來考慮平衡地溫的不平衡。地溫的恢復性造成的冷堆積問題，應該從地溫的恢復性造成影響的因素地層結構的特性、管群布置形式、系統(tǒng)運行情況等方面來考慮。地層結構的特性是不可改變的，在做地源熱泵系統(tǒng)之前，需要對該地區(qū)的地層結構進行檢測，如果是土壤換熱性能差的巖層，我們可以使用不同的填料，提高土壤的換熱性能。管群的布置形式，近年來新出現(xiàn)的樁基埋管可以在一定程度上解決埋管面積不足的問題，即把地下U型管換熱器埋于建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結構相結合，充分利用建筑物的面積，通過樁基與周圍大地形成換熱，從而減少了鉆孔和埋管的費用。配合采用樁基地埋管換熱器將大幅縮小占地面積。由于建筑物樁基的自有特點，使U型管與樁、樁與大地接觸緊密，減少接觸熱阻，強化了循環(huán)工質(zhì)與大地土壤的傳熱。而系統(tǒng)的運行方式可以采用系統(tǒng)調(diào)峰措施。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)負荷情況作技術經(jīng)濟分析確定。采用輔助熱源與地埋換熱器并用的調(diào)峰形式。結束語目前地源熱泵系統(tǒng)在東北寒冷地區(qū)所遇到的瓶頸之一便是冷堆積的問題，有效的解決冷堆積問題才能保證地源熱泵系統(tǒng)的效率和長期穩(wěn)定運行。冷堆積還還危害到周圍生態(tài)環(huán)境，地層結構性能，特別是現(xiàn)在地源熱泵系統(tǒng)也在逐步引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，必須考慮到熱平衡問題引起土壤溫度變化后對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，寒冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冷堆積的解決迫在眉睫。上面已經(jīng)分析了造成土壤熱失衡的原因以及提出了方向性的技術思路。但是由于現(xiàn)在所運行的地源熱泵系統(tǒng)年限尚短，分析并不能考慮到方方面面的因素，因此在寒冷地區(qū)做地源熱泵系統(tǒng)時，需要把眾多因素綜合考慮，設計出合理的熱平衡方案。輔助熱源可以很好的解決寒冷地區(qū)土壤冷堆積的問題，目前研究多集中在輔助加熱裝置的容量和地下埋管大小的優(yōu)化配置，加熱系統(tǒng)運行特性模擬及實驗研究，混合系統(tǒng)運行能耗及經(jīng)濟性分析研究。另外，有效的土壤溫度檢測和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、規(guī)范化運行管理也很關鍵。因此，在正式設計前，土壤換熱器的測試工作必不可少。在條件允許的情況下，建議對開孔區(qū)域進行地溫場長期監(jiān)測，以了解區(qū)域地溫場的動態(tài)變化趨勢，對已投入運行的地源熱泵