徐 輝 劉光遠 楊衛(wèi)波

(揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225127)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和能源危機的加深，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)?？焖僭黾?，在夏熱冬冷地區(qū)使用尤為廣泛。地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于規(guī)模較大的多層住宅、辦公建筑和商場［1］，地埋管換熱器采用在規(guī)定區(qū)域內(nèi)密集分布的豎直單U或者雙U地埋管換熱管群，管間距為4 m～6 m。地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用閉式水循環(huán)的地埋管換熱器，不污染地下自然水源和生態(tài)環(huán)境，因此適用性更廣，穩(wěn)定性更高。但是經(jīng)過多年實際工程的應(yīng)用，也暴露出了不少問題，常見的一個問題是:在地埋管換熱管群布置范圍內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)冬夏兩季取熱量和放熱量不平衡，即土壤熱失衡問題。本文對夏熱冬冷地區(qū)的熱平衡問題進行分析，并針對不同工況提出了不同的解決方案。

1 熱平衡問題的由來

地源熱泵系統(tǒng)是以土壤、地下水或地表水為冷熱源，由熱泵機組、熱能交換系統(tǒng)、建筑內(nèi)部系統(tǒng)三部分組成的空調(diào)系統(tǒng)。夏季將地下土壤中的冷量取出用于空調(diào)，即將末端用戶使用的熱量蓄存于地下土壤;冬季，又將夏季蓄存的熱量從地下取出用于供暖，即將用戶的冷量蓄存于地下。如此往復(fù)，在冷、熱源交替使用的過程中，實現(xiàn)能源的可再生與高效利用［2］。但是地源熱泵系統(tǒng)夏季累計向土壤釋放的熱量與冬季從土壤取出的熱量不可能完全相等，對于單根或少量埋管來說，完全可以靠土壤自身的熱擴散來消除熱失衡帶來的影響。對于目前應(yīng)用較多的大面積密集布置管群而言，短時間的使用使得土壤溫度稍大于或者稍小于土壤初始溫度，對機組的影響不大，但是如果系統(tǒng)長期取放熱不相等的運行，就會導(dǎo)致土壤熱量或冷量的堆積，使土壤溫度不斷上升或下降，從而導(dǎo)致地埋管換熱器溫度逐漸偏離適合溫度和系統(tǒng)運行效率逐年降低［3］。此外隨著土壤溫度逐年的變化，持續(xù)升高或者降低，土壤中各種生物的生態(tài)環(huán)境將可能受到破壞，從而影響地下生物鏈，甚至對人類的生活環(huán)境也產(chǎn)生影響［4］。

文獻［5］就地源熱泵系統(tǒng)熱不平衡問題進行了研究，以冬夏3%和10%的不平衡率為條件，得出結(jié)果:以五年為周期，不平衡率為3%和10%的土壤溫度分別升高了0.81℃和2.77℃。說明不平衡率越大土壤溫升也越大，對系統(tǒng)運行效率的影響也越大。

以地源熱泵系統(tǒng)實際工程為例，如圖1所示，為8月22日實測數(shù)據(jù)。上午冷凝器進口溫度從26℃上升到中午的28℃，土壤溫度從24.5℃上升到26.1℃，系統(tǒng)COP從4.4下降到3.5;下午冷凝器進口溫度從27℃上升到晚上的29℃，土壤溫度從25.8℃上升到27.3℃，系統(tǒng)COP從3.7℃下降到2.9℃。因此，土壤溫度的上升直接導(dǎo)致了系統(tǒng)COP的下降，如果系統(tǒng)熱不平衡率較高，經(jīng)過多年的運行，土壤溫度的大幅上升就會導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率的降低，影響機組的正常運行。一般情況下，土壤溫度每升高1℃，取同樣冷量時導(dǎo)致能耗增加3%～4%［6］。因此熱平衡問題是地源熱泵系統(tǒng)長期正常運行必須要考慮的一個重要因素。

2 熱平衡問題分析

地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷，冬季供熱，因為建筑產(chǎn)生的冷熱負荷不相等，如果空調(diào)負荷全部由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，那么從土壤吸收的熱量和冷量也就不等。當(dāng)不平衡率過大，隨著系統(tǒng)運行時間增加，熱量或冷量堆積，土壤溫度逐漸高于或低于土壤的初始溫度。

圖1 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度、冷卻水溫度及系統(tǒng)COP實測值

2.1 熱平衡問題分類

導(dǎo)致土壤熱失衡的原因有很多，主要是以下幾個方面:1)建筑冷熱負荷差異較大。2)系統(tǒng)設(shè)計時，為了節(jié)省初投資減少地埋管的數(shù)量且沒有增加輔助設(shè)備。3)運行管理不合理［7］。

根據(jù)熱失衡原因的不同，熱平衡問題可以分為以下幾種:

1)當(dāng)建筑冷熱負荷基本平衡或不平衡率較小，即系統(tǒng)的放熱量約等于吸熱量，本文稱之為“熱平衡”;

2)當(dāng)建筑冷負荷大于熱負荷，即系統(tǒng)的放熱量大于吸熱量且不平衡率較大時，本文稱“正失衡”;

3)當(dāng)建筑冷負荷小于熱負荷，即系統(tǒng)放熱量小于吸熱量且不平衡率較大時，本文稱“負失衡”。

下面對夏熱冬冷地區(qū)不同熱平衡問題進行分析。

1)系統(tǒng)“正失衡”。

在長江中下游夏熱冬冷地區(qū)，地源熱泵空調(diào)末端形式以風(fēng)機盤管夏季制冷、冬季供熱為主，所以空調(diào)冷熱負荷主要是由當(dāng)?shù)卮髿鉁囟葲Q定的。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)氣溫特點，地源熱泵系統(tǒng)主要表現(xiàn)為正失衡，部分地區(qū)不平衡率較低，表現(xiàn)為熱平衡。這是地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)出現(xiàn)的典型現(xiàn)象，國內(nèi)很多學(xué)者都對這些問題進行了分析，本文不再詳細介紹。

2)系統(tǒng)“負失衡”。

近年來隨著居民生活水平的大幅提高，在住宅空調(diào)系統(tǒng)中，夏季使用風(fēng)機盤管制冷，冬季使用地板采暖供熱的末端形式得到了廣泛的應(yīng)用，但是根據(jù)大量工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)全年的放熱量小于取熱量。本文將以某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)實際運行狀況為例，分析夏熱冬冷地區(qū)“負失衡”問題。

2.2 工程案例分析

圖2為某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年土壤吸放熱量，圖中橫坐標代表時間刻度，縱坐標代表地埋管側(cè)每個時間點的瞬時負荷，“土壤吸放熱”曲線與橫坐標軸圍成的面積為土壤的吸放熱量，“0”刻度線以上的面積為土壤吸熱量，“0”刻度線以下的面積為土壤放熱量。

圖2 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年土壤吸放熱量

圖3為地源熱泵系統(tǒng)用戶全年冷熱負荷，圖中縱坐標代表用戶側(cè)每個時間點的瞬時負荷，“0”刻度線以上的面積為用戶全年需要的冷量，“0”刻度以下的面積為用戶需要的熱量。

圖3 某小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)用戶全年冷熱負荷

圖4 某小區(qū)地埋管周圍土壤-55 m處測點溫度實測值

圖4為地埋管周圍土壤－55 m處測點溫度實測值，圖中兩個測點水平位置分別位于四口地埋管井的正中間，垂直位置在地下55 m處。圖4為1號測點和4號測點2012年3月份～9月份和2013年3月份～9月份的溫度分布，顯然，土壤經(jīng)過一年的吸放熱，溫度平均降低了0.3℃～0.4℃，這是系統(tǒng)“負失衡”問題在夏熱冬冷地區(qū)實際運行中的表現(xiàn)。

經(jīng)過計算，用戶全年實際需要的冷量約為11.5 MkWh，需要的熱量反而高于實際所需冷量約為12.5 MkWh，該計算與設(shè)計所需冷熱量結(jié)論相反，這是由空調(diào)末端形式、當(dāng)?shù)貧鉁靥匦砸约爱?dāng)?shù)鼐用窨照{(diào)使用習(xí)慣所決定的。而土壤全年吸收的熱量約為9.5 MkWh，釋放的熱量約為 14.5 kWh，由此可以看出該系統(tǒng)為“負失衡”，且有一部分額外的負荷增加了系統(tǒng)的不平衡率，即生活熱水負荷。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因主要有兩個:

1)通常夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)采用風(fēng)機盤管制冷和供熱，由于長江中下游地區(qū)的溫度特性，空調(diào)系統(tǒng)全年需要的冷負荷會大于熱負荷，或者冷熱負荷差不多，這就決定了地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題表現(xiàn)為“正失衡”，或者因為不平衡率較小，系統(tǒng)冷熱平衡。然而該小區(qū)采用夏季風(fēng)機盤管制冷，冬季地板采暖供熱的空調(diào)末端形式，因為風(fēng)機盤管對流換熱制冷速度快的特性，住戶只需要在有人的房間開啟風(fēng)機盤管，就能滿足舒適性要求，所以夏季風(fēng)機盤管的同時使用率較低。而冬季因為地板采暖熱輻射的特性，需要較長時間的蓄熱才能達到用戶的熱舒適性要求，所以一家住戶的每個房間的地板采暖系統(tǒng)必須同時開啟，才能滿足需求，導(dǎo)致在沒有人的房間也有了負荷，所以冬季熱負荷會大于夏季冷負荷，這是系統(tǒng)表現(xiàn)為“負失衡”的決定因素。

2)該工程的地源熱泵系統(tǒng)為整個小區(qū)提供生活熱水，對比圖2，圖3和計算的用戶冷熱量、系統(tǒng)吸放熱量，可以發(fā)現(xiàn)，夏季生活熱水負荷承擔(dān)了機組向土壤排放的一部分熱量，冬季增加了機組向土壤取出的熱量，且生活熱水負荷比較大，所以全年生活熱水的負荷大大增加了系統(tǒng)的熱不平衡率。

無論地源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)“正失衡”或者“負失衡”，如果失衡率較大，表明該系統(tǒng)可能無法長期穩(wěn)定的運行。文獻［2］［6］均提出:當(dāng)不平衡率較小，即全年取放熱比小于1.2時，由于土壤本身具有一定的熱擴散能力，土壤熱不平衡對熱泵運行影響不大，不需要采取熱平衡措施;當(dāng)取放熱比大于1.2時，則要采取措施調(diào)整土壤熱平衡。

3 熱平衡問題的解決方案［8］

地埋管地源熱泵的熱平衡問題不是一個技術(shù)難題，出現(xiàn)的原因主要是設(shè)計和運行管理的不當(dāng)。所以解決熱失衡問題可以從兩個方面著手:1)系統(tǒng)設(shè)計時考慮合理的冷熱負荷，與地埋管數(shù)量相匹配，確定合理的地埋管間距，增加系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)施。2)因為機房操作人員多為非暖通專業(yè)技術(shù)人員，缺乏熱平衡問題及其影響因素的相關(guān)理論知識，他們認為自動控制就是最節(jié)能的運行方案，不需要手動調(diào)節(jié)，或者是嫌麻煩，在負荷大的時候不開啟調(diào)峰設(shè)施進行調(diào)峰，所以要培訓(xùn)操作人員，規(guī)范運行管理。

本文就從設(shè)計階段或工程改造方面提出熱平衡問題的各種解決方案，做了簡單的總結(jié):

1)系統(tǒng)全年“正失衡”問題解決方案。

在長江中下游夏熱冬冷地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)主要表現(xiàn)為正失衡，部分地區(qū)不平衡率較低，表現(xiàn)為熱平衡。解決夏熱冬冷地區(qū)正失衡問題的常規(guī)解決方案有:

方案1:地埋管+地源熱泵機組+冷卻塔。

對于夏季冷負荷較大的工程，可在夏季將系統(tǒng)部分熱量通過冷卻塔排到大氣中，減少土壤夏季吸收的熱量，從而達到土壤全年溫度的平衡。

方案2:地埋管+熱回收式熱泵機組。

近年住宅建筑的設(shè)計中逐漸采用集中供生活熱水的方式，回收熱泵機組將本該排放到地下土壤的冷凝熱，用于加熱生活熱水，從而減少熱量向土壤的排放。

方案3:地埋管+地源熱泵機組+蓄冷設(shè)備。

若系統(tǒng)按冬季供熱負荷設(shè)計，且系統(tǒng)全年向土壤排放的熱量比吸收的熱量多，多出的部分可由蓄冷等設(shè)備來承擔(dān)，補償?shù)卦礋岜孟募竟├淞康牟蛔?，從而保證土壤熱平衡。

2)系統(tǒng)全年“負失衡”問題解決方案。

本文前面已經(jīng)提到，夏熱冬冷地區(qū)有部分地源熱泵系統(tǒng)末端形式為風(fēng)機盤管加地板采暖，或者供熱時間較長，實際運行后會出現(xiàn)全年制冷量小于供熱量的情況，并且工程的生活熱水也是由熱泵機組提供，所以熱平衡問題表現(xiàn)為負失衡。解決夏熱冬冷地區(qū)負失衡問題的解決方案有:

方案4:地埋管+地源熱泵機組+輔助熱源。

對于冬季熱負荷較大或者供熱時間較長導(dǎo)致系統(tǒng)全年放熱量小于吸熱量的夏熱冬冷地區(qū)，熱泵系統(tǒng)的長期運行必然導(dǎo)致土壤熱失衡，為了使機組長期穩(wěn)定的運行，可以增加輔助熱源來減少系統(tǒng)從土壤中吸收的熱量，如工業(yè)廢水熱回收、城市熱水管網(wǎng)或者電加熱設(shè)備等。

方案5:地埋管+地源熱泵機組+太陽能系統(tǒng)。

若地源熱泵系統(tǒng)是按夏季冷負荷進行系統(tǒng)設(shè)計，那么用戶冬季高出夏季的那部分負荷需求則采用太陽能制熱水的方式來承擔(dān)，從而減少熱泵系統(tǒng)從土壤中吸收的熱量，既解決了熱平衡問題，又使系統(tǒng)更加節(jié)能。

4 結(jié)語

1)地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題是由建筑所需的冷熱負荷決定的，而建筑實際所需的冷熱負荷是由建筑當(dāng)?shù)氐臍鉁靥匦院涂照{(diào)系統(tǒng)末端形式?jīng)Q定的。所以設(shè)計前期準確的負荷計算和空調(diào)末端形式的考慮是解決系統(tǒng)熱平衡問題的關(guān)鍵。

2)地源熱泵系統(tǒng)熱失衡的程度受生活熱水負荷的影響。當(dāng)系統(tǒng)“正失衡”時，生活熱水負荷的產(chǎn)生或者變大，會使得系統(tǒng)熱失衡率變小，或者接近熱平衡;當(dāng)系統(tǒng)“負失衡”時，生活熱水負荷的產(chǎn)生或熱水負荷變大，系統(tǒng)熱失衡率反而會越大。所以設(shè)計階段，生活熱水負荷的考慮和準確計算也是解決系統(tǒng)熱平衡問題的關(guān)鍵。

3)夏熱冬冷地區(qū)，大部分地源熱泵系統(tǒng)都存在熱平衡問題。部分系統(tǒng)不平衡率較低，不影響機組正常運行;部分系統(tǒng)表現(xiàn)為“正失衡”，通過冷卻塔等輔助設(shè)備可以解決。但是空調(diào)末端為風(fēng)機盤管加地板采暖的系統(tǒng)，表現(xiàn)為“負失衡”，這與夏熱冬冷地區(qū)典型的正失衡問題不同，筆者將通過調(diào)研不同的工程，對這個問題做深入研究。

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