嚴(yán)寒地區(qū)地源熱泵冷堆積問題淺析

嚴(yán)寒地區(qū)地源熱泵冷堆積問題淺析摘要：對(duì)地源熱泵系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)地源熱泵在運(yùn)行過程中影響地溫冷堆積的因素進(jìn)行了分析，結(jié)合地域特點(diǎn)，并提出了解決冷堆積問題的技術(shù)思路。關(guān)鍵詞：嚴(yán)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(jiǎn)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(qiáng)度塑料管（地埋管換熱器）與熱泵機(jī)組構(gòu)成。在夏季，水或循環(huán)液通過管路進(jìn)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(yuǎn)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(shù)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(diǎn)是在軟土地區(qū)造價(jià)較低，但缺點(diǎn)是占地面積大，通常不太適合中國(guó)地少人多的國(guó)情。豎直地埋管換熱器也就是在若干豎直鉆孔中設(shè)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(diǎn)，因此已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)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(duì)系統(tǒng)全年冷熱負(fù)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(duì)熱量夏蓄冬供。但在北方嚴(yán)寒地區(qū)，冬季供熱的負(fù)荷和時(shí)間遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)的負(fù)荷和時(shí)間，系統(tǒng)多年運(yùn)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(yīng)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(shí)，對(duì)消除或緩解地埋管換熱器中由于冷熱負(fù)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(xué)模型和分析還只能對(duì)這一現(xiàn)象提供定性的判斷，由于在實(shí)際工程中很難得到現(xiàn)場(chǎng)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(duì)緩解地下冷量或熱量累積的定量的結(jié)論。曾有學(xué)者對(duì)在沈陽地區(qū)運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)冬夏季取排熱量進(jìn)行了模擬，測(cè)試的地層結(jié)構(gòu)為泥巖，共3個(gè)孔，孔深100m，孔徑為150mm，1號(hào)孔距2號(hào)孔為5m，2號(hào)孔距3號(hào)孔5米，3號(hào)孔距1號(hào)孔為6m，3個(gè)孔的相對(duì)位置見圖1：圖1三個(gè)測(cè)試孔的相對(duì)位置圖以三個(gè)孔的換熱同時(shí)運(yùn)行，對(duì)冬夏季取排熱量進(jìn)行模擬，得出結(jié)論如下：初始階段每個(gè)換熱孔的取排熱量還算正常，隨著運(yùn)行時(shí)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?cái)U(kuò)散。隨著時(shí)間的增加，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)熱泵系統(tǒng)由于冷堆積而無法運(yùn)行。造成地源熱泵冷堆積影響因素分析建筑負(fù)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(fù)雜多變，空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷輸入造成熱量通過地埋管換熱器內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流傳遞給土壤，土壤又以自然方式向四周擴(kuò)散使其自身溫度緩慢趨于初始值。而對(duì)于東北地區(qū)，冬夏季冷熱負(fù)荷相差過大，造成冷堆積。地溫的恢復(fù)特性也是影響熱平衡的一個(gè)因素。地溫的恢復(fù)特性主要取決于地層結(jié)構(gòu)的特性、管群布置形式、系統(tǒng)運(yùn)行情況、冷熱負(fù)荷不平衡率等。特別是地層結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，若地層結(jié)構(gòu)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(huì)隨著換熱器周圍流動(dòng)的地下水很快的散失掉，這樣的地層結(jié)構(gòu)，冷堆積的現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)，而地層結(jié)構(gòu)為泥巖，換熱系數(shù)小，性能差的地層，冷堆積現(xiàn)象比較嚴(yán)重。因此，在解決地緣熱泵熱平衡問題時(shí)，應(yīng)該結(jié)合具體情況綜合考慮各方面因素，設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)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(shì)，就要解決地源熱泵存在的冷堆積問題。針對(duì)東北地區(qū)建筑冷熱負(fù)荷不平衡的問題，可以通過設(shè)置冷量回收、輔助熱源等措施實(shí)現(xiàn)。冷量回收，利用地層具備蓄能的特性，在夏初的時(shí)候，無需開啟熱泵機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)由土壤換熱器直接制冷，實(shí)現(xiàn)冬儲(chǔ)夏用，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)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(shè)施的選擇可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，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(fù)性造成的冷堆積問題，應(yīng)該從地溫的恢復(fù)性造成影響的因素地層結(jié)構(gòu)的特性、管群布置形式、系統(tǒng)運(yùn)行情況等方面來考慮。地層結(jié)構(gòu)的特性是不可改變的，在做地源熱泵系統(tǒng)之前，需要對(duì)該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，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(jié)構(gòu)相結(jié)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(fèi)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(diǎn)，使U型管與樁、樁與大地接觸緊密，減少接觸熱阻，強(qiáng)化了循環(huán)工質(zhì)與大地土壤的傳熱。而系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)性,但合理的調(diào)峰比例需要根據(jù)空調(diào)負(fù)荷情況作技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jié)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。冷堆積還還危害到周圍生態(tài)環(huán)境，地層結(jié)構(gòu)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(duì)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(shù)思路。但是由于現(xiàn)在所運(yùn)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(shí)，需要把眾多因素綜合考慮，設(shè)計(jì)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(yùn)行特性模擬及實(shí)驗(yàn)研究，混合系統(tǒng)運(yùn)行能耗及經(jīng)濟(jì)性分析研究。另外，有效的土壤溫度檢測(cè)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、規(guī)范化運(yùn)行管理也很關(guān)鍵。因此，在正式設(shè)計(jì)前，土壤換熱器的測(cè)試工作必不可少。在條件允許的情況下，建議對(duì)開孔區(qū)域進(jìn)行地溫場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以了解區(qū)域地溫場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，對(duì)已投入運(yùn)行的地源熱泵