地源热泵的冬夏季热平衡问题

地埋管地源热泵(ground-coupled heat pump)系统的研究和项目实施是我国地源热泵(ground source heat pump)系统三种形式中开始最晚的一种, 其造价和运行费用相对也较地下水地源热泵(ground water heat pump)和地表水地源热泵(surface water heat pump)系统要稍高。但这些并不妨碍地埋管地源热泵的迅速发展, 原因在于地埋管地源热泵采用地埋管换热器(ground heat exchanger)内循环水换取土壤中贮存的温差能, 没有对自然水源的开采和污染的担心, 因此适用性更广, 安全稳定性更高, 尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的空调冷热源。

地埋管地源热泵(ground-coupled heat pump)系统

与欧美地埋管地源热泵主要采用水平埋管式地埋管换热器、通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同, 我国的地埋管地源热泵系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公建筑, 地埋管换热器一般采用在一定区域内密集布置的竖直单U 甚至双U 形地埋管换热器群, 近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置地埋管换热器群的新方式。这些密集型竖直埋管的方式虽然能较好地适应中国地少人多的国情, 但是也带来了技术上的隐患, 那就是地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡问题, 它已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。

1、土壤热平衡问题的由来

地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量一般并不一致, 这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力, 造成其温度不断偏离初始温度, 并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降, 这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。

在我国东北以供暖为主的地区, 理论上也可能出现地埋管地源热泵连年运行后土壤温度下降, 但以供暖为主的系统采用辅助热源的比例较高, 实际出现土壤失衡的可能性较小。

在夏热冬冷地区, 建筑物夏季供冷的时间要比冬季供暖的时间长约2 个月, 供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1 倍, 在以供冷为主的地区这种差异更大。这样, 系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升, 严重时会造成夏季高峰负荷期地埋管换热器内循环冷却水温度达40 ℃以上, 引起热泵机组制冷效率严重降低。

地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程, 它以土壤导热为主, 但同时还包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热, 因此土壤的热物性、含水量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个地埋管换热器的传热过程产生影响。只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力, 就可以保持全年的热平衡。

2、国内土壤热失衡的几种常见情况分析

国内的地埋管地源热泵运行时间都不很长, 其持久运行情况还有待观察。从目前运行中暴露出来的问题来看, 运行中的土壤热失衡主要可以分为以下几种情况:

1）地埋管换热器数量布置过少
出现最多的情况是为了节省地埋管地源热泵系统的初投资, 地埋管换热器数量布置过少, 从而引起空调季持久运行特性变差。市场中恶性竞争引起的价格战助长了这种行为的蔓延, 应该引起足够重视。

2）地埋管换热器间距小
另外一种出现较多的情况是由于可供地埋管换热器布置的面积较小, 从而减小了地埋管换热器间距, 使得单个地埋管换热器的扩散半径减小,降低了持久运行特性。

3）热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹配, 造成局部土壤温升过高。

4）复合式系统管理运行不当
因为操作人员嫌麻烦, 空调季随着负荷增长不及时甚至完全不开启调峰设施, 或经常在空调负荷不大时只开调峰设施而不运行地埋管地源热泵系统, 都将影响调峰设施的冷热平衡功能, 导致系统冬夏季节取放热量不平衡率大于设计值, 土壤出现热堆积。

5）运行管理不完善, 造成不必要的运行困难
有些操作人员在部分负荷时间只开启部分热泵机组, 但不关闭其余热泵机组的阀门, 导致运行中机组的冷却水流量因为分流而过小, 从而冷却水温升过高。这种问题其实不属于土壤热平衡问题, 完全可以通过改进运行管理来方便地解决。

3、土壤热失衡的解决方法

地埋管地源热泵的热失衡问题并不是技术上的难题, 完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。

解决的方法在于减小地埋管换热器群的密集度和冷热负荷的不平衡率：前者可以通过增大地埋管换热器布置的间距、减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行；后者可以通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施实现。

1）有调峰的复合式系统
有调峰的复合式系统的整体经济性更好, 因此条件具备时应该优先考虑作为解决土壤热失衡的主要措施。但是应该注意调峰系统同时也提高了剩余地埋管换热器的使用频率, 因此调峰后土壤承担的冬夏负荷不宜相差过大。

2）带热回收功能的地埋管地源热泵机组
利用带热回收功能的地埋管地源热泵机组提供生活热水, 在冬季增加了地埋管地源热泵系统的取热负荷, 在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热, 在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热, 这对缓解土壤热失衡非常有益, 同时也可以提供廉价的生活热水, 对有生活热水需要的项目也是非常适合的一个技术手段。

3）此外, 条件适合时还可以采用以下技术手段缓解土壤热失衡问题:

①将地埋管换热器与热泵机组对应设置成多个回路, 轮流使用,部分负荷时优先使用地埋管换热器布置的周边回路, 以延长地埋管换热器的温度自然恢复时间, 避免中心局部过热。

②在地埋管换热器布置场地中心位置布置温度传感器, 对空调季土壤温度进行实时检测, 当土壤温升超过规定数值后, 启动调峰系统运行。条件合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统, 以确保地埋管地源热泵系统处于较好的控制和调节状态。

③地埋管地源热泵即使不采用复合式系统, 也可以预留冷却塔位置和接口, 以保证如果持续运行出现土壤温升超出控制范围, 启动冷却塔辅助冷却。

④对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统, 或者在空调不运行的夜间将冷却塔和地埋管换热器串联使用以冷却地下土壤, 可以很好地解决热失衡问题, 并不影响系统经济性。由于地埋管地源热泵系统在夏热冬冷地区的主要节能优势在冬季, 在夏季, 常规冷水机组的效率提升并不明显, 因此在夏季灵活启动冷却塔并不降低系统的效率和经济性,但可以很好地改善土壤热失衡状况。