王鵬軒

(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春130118)

0 引言

土壤源熱泵系統(tǒng)以其節(jié)能環(huán)保、安全穩(wěn)定及運行成本低等優(yōu)點，迅速成為最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉蠢眉夹g(shù)之一.近幾年，我國的土壤源熱泵系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，而隨之帶來的問題也日益明顯.在嚴寒地區(qū)土壤冬夏季取放熱量不平衡，致使土壤溫度持續(xù)下降，影響系統(tǒng)的能效和使用壽命，對生態(tài)環(huán)境也有一定程度的破壞.因此，嚴寒地區(qū)土壤熱平衡問題亟待解決.

1 土壤熱平衡問題產(chǎn)生的原因和影響

土壤源熱泵系統(tǒng)依靠土壤換熱器從地下土壤中提取能量.冬季，熱泵系統(tǒng)從土壤中取熱對建筑物供暖在保證建筑物溫度的同時，使土壤溫度降低;夏季，熱泵系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的熱量排入土壤中，對建筑物供冷，在保持室內(nèi)溫度滿足舒適性的同時，使土壤溫度升高.嚴寒地區(qū)冬季寒冷供暖期長，夏季涼爽供冷周期短，系統(tǒng)長期在供熱/制冷不同工況下交替循環(huán).由于嚴寒地區(qū)全年冷熱負荷的不均衡性，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)從土壤中的取熱量大于排熱量，土壤溫度場會出現(xiàn)“熱失衡”現(xiàn)象.系統(tǒng)長期運行后，會使土壤換熱器周圍的土壤溫度不斷降低，影響熱泵系統(tǒng)工作效率，這就是土壤源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題.

近年來，許多學(xué)者為解決這一問題進行了大量研究工作.揚州大學(xué)楊衛(wèi)波［1］等以一典型的鉆孔間距為5 m，4×4陣列的埋管群作為分析對象建立模型來計算.計算區(qū)域如圖1所示，水平與垂直方向均為35 m.將換熱區(qū)域中布置的每個鉆孔看作為熱源(放熱)或熱匯(吸熱)，按0.1 m的網(wǎng)格間距，將計算區(qū)域劃分為350×350個網(wǎng)格單元，采用控制容積法及全隱格式對偏微分方程(1)進行離散，用ADI算法對離散方程組進行求解［2］.

式中，λS為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);CV為土壤的熱容，kJ/(m3·℃);qV為源項，qV=q1/鉆孔面積，W/m3，其中q1為單位埋深換熱量，W/m.

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行10年后土壤溫度明顯低于原始溫度.長期運行后，溫度下降的幅度將會增大，使土壤溫度低于熱泵蒸發(fā)所需的最低溫度標準，這將降低系統(tǒng)運行效率，最終使系統(tǒng)無法運行.土壤溫度的降低也會對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響.

圖1 計算區(qū)域管群平面布置

圖2 系統(tǒng)運行溫度變化

2 土壤熱平衡問題的解決方案

土壤本身可視為一個較大的蓄能體，如果采用輔助熱源的方式向土壤蓄存一部分熱量，使從土壤中的取熱/排熱量達到一定程度的平衡，就可保證地埋管周圍土壤溫度場得到一定的恢復(fù)，解決土壤熱平衡問題，從而提高系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)的使用壽命.

2.1 空氣熱源土壤蓄熱熱泵

哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫海龍［3］利用夏季的高溫空氣蓄熱作為土壤源熱泵的輔助熱源，提出了空氣熱源土壤蓄熱熱泵供暖系統(tǒng).夏季蓄熱系統(tǒng)主要包括:室外風機盤管、循環(huán)水泵、膨脹水箱、單U型垂直地埋管及相應(yīng)管道系統(tǒng)(如圖3所示).系統(tǒng)開始運行后，循環(huán)介質(zhì)經(jīng)過地下垂直埋管與周圍低溫土壤換熱溫度降低，然后流入室外風機盤管與高溫空氣換熱溫度升高，再流入地下埋管與周圍低溫土壤換熱，這樣就完成了一個循環(huán)過程，不斷地把高溫空氣的熱量傳遞到地下土壤中，土壤溫度就會不斷升高.

實驗以沈陽地區(qū)作為分析對象，沈陽地區(qū)的地下土壤平均溫度為11℃，地表的月平均溫度最高出現(xiàn)在7月份，為28.8℃，最低出現(xiàn)在1月份，為-12.5℃，地表的周期性溫度波幅為20.7℃.供暖周期為152 d，供暖室外設(shè)計溫度為-19℃，冬季取熱熱泵額定輸入功率0.5 kW，室內(nèi)設(shè)計熱負荷為1 200 W，室內(nèi)溫度控制在18℃～20℃，利用Matlab軟件編制程序來模擬空氣熱源土壤蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)在沈陽地區(qū)全年的運行特性，得出圖4蓄熱系統(tǒng)與無蓄熱系統(tǒng)地埋管30 m深處土壤溫度全年變化，反映了兩系統(tǒng)30 m深管壁處土壤溫度全年變化，夏季向土壤中蓄熱后，土壤平均溫度為12.1℃，比初始狀態(tài)升高1.1℃，經(jīng)過冬季供暖階段后，使用蓄熱系統(tǒng)的土壤全年平均溫度比無蓄熱系統(tǒng)提高了0.52℃，，說明空氣蓄熱系統(tǒng)對于提高土壤平均溫度有一定的作用，增強了土壤的取熱能力，提高了土壤源熱泵系統(tǒng)常年運行的可靠性.

圖3 夏季蓄熱實驗系統(tǒng)

圖4 蓄熱/無蓄熱系統(tǒng)土壤溫度全年變化

2.2 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)

在嚴寒地區(qū)，冬季從土壤中取熱量較大，可使用太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱，夏季只使用土壤源熱泵系統(tǒng)供冷，但由于部分地區(qū)整個冬季的太陽能輻射熱量較小，系統(tǒng)長期聯(lián)合運行后，也會產(chǎn)生土壤平均溫度下降的問題，所以，如果能將嚴寒地區(qū)全年的太陽能都儲存起來供冬季供暖，將徹底解決這個問題.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的智艷生和王冬梅［4-5］等，從2003年開始，利用太陽能集熱器和地埋管換熱器把全年各季節(jié)的太陽能蓄存到土壤中，用于冬季供暖，使冬夏兩季土壤取熱/排熱量平衡，土壤溫度穩(wěn)定，實驗效果顯著.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張文雍［6］等利用太陽能-土壤源熱泵裝置進行了冬季供暖、太陽能季節(jié)性蓄熱實驗和夏季供冷實驗，實驗得出當蓄熱結(jié)束時地埋管周圍土壤平均溫度高于初始溫度，提高了下一供暖期系統(tǒng)的供暖性能系數(shù).

3 結(jié)語

(1)土壤熱平衡問題是嚴寒地區(qū)土壤源熱泵應(yīng)用中關(guān)鍵的技術(shù)問題，如果沒有行之有效的方法來解決該問題，就會使熱平衡問題在系統(tǒng)持續(xù)運行后愈發(fā)嚴重，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法運行;

(2)目前，在嚴寒地區(qū)所采用的方法只是在一定條件下解決一些問題，但都不能從根本上徹底解決土壤熱平衡問題.因為土壤源熱泵系統(tǒng)本身的初投資費用很大，在其基礎(chǔ)上增加其他輔助設(shè)施會使系統(tǒng)初投資的費用更大，工程更復(fù)雜，運行管理也更加困難，因此尋求一種在嚴寒地區(qū)可行性更強的解決土壤熱平衡問題的方案，是目前節(jié)能工作者所面臨的巨大考驗，也是未來重要的研究方向之一.

［1］楊衛(wèi)波，陳振乾，劉光遠.土壤源熱泵系統(tǒng)地下熱平衡問題分析［C］.中國制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集，2009.

［2］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001:42-50.

［3］孫海龍.嚴寒地區(qū)空氣熱源土壤蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)可行性研究［D］.黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［4］M.Y.Zheng，Y.S.Zhi，Y.Lin.Study of Heating and Cooling System with Solar HeatSoil Storage in Severe Cold Area［C］.Proceedings of the 2003 4th InternationalSymposium on Heating，Ventilation and Air Conditioning.Beijing，2003.

［5］M.Y.Zheng，D.M.Wang，Y.S.Zhi.The Study of Heating and Cooling Techniquewith Solar Energy in Severe Cold Area［C］.Energy and the Environment.Proceedings of the International Conference on Energy and the Environment，Shanghai，2003.

［6］張文雍，鄭茂余，王瀟.嚴寒地區(qū)太陽能土壤源熱泵季節(jié)性土壤蓄熱［J］.煤氣與熱力，2009，29(8):21-24.