严寒地区土壤源热泵系统热平衡问题分析

王鹏轩

(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春130118)

0 引言

土壤源热泵系统以其节能环保、安全稳定及运行成本低等优点，迅速成为最具发展潜力的可再生能源利用技术之一.近几年，我国的土壤源热泵系统数量不断增加，而随之带来的问题也日益明显.在严寒地区土壤冬夏季取放热量不平衡，致使土壤温度持续下降，影响系统的能效和使用寿命，对生态环境也有一定程度的破坏.因此，严寒地区土壤热平衡问题亟待解决.

1 土壤热平衡问题产生的原因和影响

土壤源热泵系统依靠土壤换热器从地下土壤中提取能量.冬季，热泵系统从土壤中取热对建筑物供暖在保证建筑物温度的同时，使土壤温度降低;夏季，热泵系统将建筑物内的热量排入土壤中，对建筑物供冷，在保持室内温度满足舒适性的同时，使土壤温度升高.严寒地区冬季寒冷供暖期长，夏季凉爽供冷周期短，系统长期在供热/制冷不同工况下交替循环.由于严寒地区全年冷热负荷的不均衡性，导致热泵系统从土壤中的取热量大于排热量，土壤温度场会出现“热失衡”现象.系统长期运行后，会使土壤换热器周围的土壤温度不断降低，影响热泵系统工作效率，这就是土壤源热泵系统的热平衡问题.

近年来，许多学者为解决这一问题进行了大量研究工作.扬州大学杨卫波［1］等以一典型的钻孔间距为5 m，4×4阵列的埋管群作为分析对象建立模型来计算.计算区域如图1所示，水平与垂直方向均为35 m.将换热区域中布置的每个钻孔看作为热源(放热)或热汇(吸热)，按0.1 m的网格间距，将计算区域划分为350×350个网格单元，采用控制容积法及全隐格式对偏微分方程(1)进行离散，用ADI算法对离散方程组进行求解［2］.

式中，λS为土壤导热系数，W/(m·℃);CV为土壤的热容，kJ/(m3·℃);qV为源项，qV=q1/钻孔面积，W/m3，其中q1为单位埋深换热量，W/m.

由图2可以发现，系统运行10年后土壤温度明显低于原始温度.长期运行后，温度下降的幅度将会增大，使土壤温度低于热泵蒸发所需的最低温度标准，这将降低系统运行效率，最终使系统无法运行.土壤温度的降低也会对生态环境造成一定的影响.

图1 计算区域管群平面布置

图2 系统运行温度变化

2 土壤热平衡问题的解决方案

土壤本身可视为一个较大的蓄能体，如果采用辅助热源的方式向土壤蓄存一部分热量，使从土壤中的取热/排热量达到一定程度的平衡，就可保证地埋管周围土壤温度场得到一定的恢复，解决土壤热平衡问题，从而提高系统的高效性和稳定性，延长系统的使用寿命.

2.1 空气热源土壤蓄热热泵

哈尔滨工业大学孙海龙［3］利用夏季的高温空气蓄热作为土壤源热泵的辅助热源，提出了空气热源土壤蓄热热泵供暖系统.夏季蓄热系统主要包括:室外风机盘管、循环水泵、膨胀水箱、单U型垂直地埋管及相应管道系统(如图3所示).系统开始运行后，循环介质经过地下垂直埋管与周围低温土壤换热温度降低，然后流入室外风机盘管与高温空气换热温度升高，再流入地下埋管与周围低温土壤换热，这样就完成了一个循环过程，不断地把高温空气的热量传递到地下土壤中，土壤温度就会不断升高.

实验以沈阳地区作为分析对象，沈阳地区的地下土壤平均温度为11℃，地表的月平均温度最高出现在7月份，为28.8℃，最低出现在1月份，为-12.5℃，地表的周期性温度波幅为20.7℃.供暖周期为152 d，供暖室外设计温度为-19℃，冬季取热热泵额定输入功率0.5 kW，室内设计热负荷为1 200 W，室内温度控制在18℃～20℃，利用Matlab软件编制程序来模拟空气热源土壤蓄热热泵供暖系统在沈阳地区全年的运行特性，得出图4蓄热系统与无蓄热系统地埋管30 m深处土壤温度全年变化，反映了两系统30 m深管壁处土壤温度全年变化，夏季向土壤中蓄热后，土壤平均温度为12.1℃，比初始状态升高1.1℃，经过冬季供暖阶段后，使用蓄热系统的土壤全年平均温度比无蓄热系统提高了0.52℃，，说明空气蓄热系统对于提高土壤平均温度有一定的作用，增强了土壤的取热能力，提高了土壤源热泵系统常年运行的可靠性.

图3 夏季蓄热实验系统

图4 蓄热/无蓄热系统土壤温度全年变化

2.2 太阳能-土壤源热泵系统

在严寒地区，冬季从土壤中取热量较大，可使用太阳能与土壤源热泵系统联合供热，夏季只使用土壤源热泵系统供冷，但由于部分地区整个冬季的太阳能辐射热量较小，系统长期联合运行后，也会产生土壤平均温度下降的问题，所以，如果能将严寒地区全年的太阳能都储存起来供冬季供暖，将彻底解决这个问题.哈尔滨工业大学的智艳生和王冬梅［4-5］等，从2003年开始，利用太阳能集热器和地埋管换热器把全年各季节的太阳能蓄存到土壤中，用于冬季供暖，使冬夏两季土壤取热/排热量平衡，土壤温度稳定，实验效果显著.哈尔滨工业大学的张文雍［6］等利用太阳能-土壤源热泵装置进行了冬季供暖、太阳能季节性蓄热实验和夏季供冷实验，实验得出当蓄热结束时地埋管周围土壤平均温度高于初始温度，提高了下一供暖期系统的供暖性能系数.

3 结语

(1)土壤热平衡问题是严寒地区土壤源热泵应用中关键的技术问题，如果没有行之有效的方法来解决该问题，就会使热平衡问题在系统持续运行后愈发严重，最终导致系统无法运行;

(2)目前，在严寒地区所采用的方法只是在一定条件下解决一些问题，但都不能从根本上彻底解决土壤热平衡问题.因为土壤源热泵系统本身的初投资费用很大，在其基础上增加其他辅助设施会使系统初投资的费用更大，工程更复杂，运行管理也更加困难，因此寻求一种在严寒地区可行性更强的解决土壤热平衡问题的方案，是目前节能工作者所面临的巨大考验，也是未来重要的研究方向之一.

［1］杨卫波，陈振乾，刘光远.土壤源热泵系统地下热平衡问题分析［C］.中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009.

［2］陶文铨.数值传热学(第2版)［M］.西安:西安交通大学出版社，2001:42-50.

［3］孙海龙.严寒地区空气热源土壤蓄热热泵供暖系统可行性研究［D］.黑龙江:哈尔滨工业大学，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］张文雍，郑茂余，王潇.严寒地区太阳能土壤源热泵季节性土壤蓄热［J］.煤气与热力，2009，29(8):21-24.