土壤源热泵系统地下地埋管换热性能的研究

赵启月　魏琦君

【摘 要】 受传统老技术的制约，大多热泵冷暖机组实际应用效果并不够理想，节能效果与设计前相比存在一定误差，然而目前，我国地热能源的开发利用程度还比较低，在地热能源利用方面，土壤源热泵空调是一种利用地热能源实现制冷与供暖的设备本文就地源热泵系统土壤源热泵系统的影响、土壤源热泵空调系统的基本工作原理及地源热泵系统优化与运行研究进展进行探讨。

【关键词】 土壤源热泵系统；地下地埋管换热性能；研究

引言：

地源热泵是随全球能源环境问题的可持续发展而逐渐兴起的一门节能环保的浅表地热利用技术。我国《可再生能源法》已于2005年颁布，同年推出了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》，为在我国推广地源热泵技术的应用提供了政策保障和技术准则。地埋管地源热泵系统是地源热泵系统的一种形式，由于该系统只取热，不取水，没有地下水位下降和地面沉降向题，不存在腐蚀和开凿回灌井问题，也不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染问题，所以应用最为广泛。

一、土壤源热泵空调系统的基本工作原理

地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源地下水，地表水或土壤等既可制冷又可制热的高效节能空调系统。该系统通过输入少量的高品位能源如电能，实现低位热能向高位热能的转移。地能可分别在冬季作为热粟供暖的热源和夏季空调制冷的冷源。该系统本身消耗了一部分的电能，而整个热菜装置所消耗功仅为输出功的一小部分。由于该系统采取特殊的换热方式，相比于传统空调使其具有无法比拟的高效节能的优点。同时，在整个换热过程中没有化石燃料的燃烧和损耗，因此地源热菜不会对周围环境造成损害。作为一种绿色无污染，高效又节能的空调方式，地源热泵系统在现代社会的应用中必将变得越来越广泛。

（一）土壤源热泵与空气源热泵的工作原理相似

在制冷状态下，制冷剂在蒸发器内蒸发而吸收室内循环空气所携带的热量，通过压缩机对制冷剂做功，使其在室外冷凝器内冷凝，然后通过系统中的循环水路将制冷剂中所携带的热量吸收，最后经过室外地能换热系统转移到土壤里。其工作原理如图1所示。在制热状态下，开始由系统内的压缩机对制冷剂做功，然后利用四通阀将制冷剂的流动方向换向，从而由室外地能换热系统吸收地下土壤里的热量，并在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。其工作原理如图2所示。

（二）土壤源热泵空调的优点

第一，使用土壤源热泵空调可以在很大程度上实现资源的可再生利用。土壤源热泵可以通过吸收地球表面浅层地热资源作为冷热源然后再进行能量转换，从地理学角度来看，浅层地表就是一个太阳能资源储存器，太阳辐射的能量有47%都被浅层地表吸收了。这种地热量大面广、无处不在，它基本不受地理位置、季节气候、资源等限制。这种浅层地表储存的太阳热能资源几乎是无限可再生能源，可以实现反复循环利用，最重要的还是这种能源本身就是一种清洁能源。在地表之下5米的土壤温度比地表气温低，但是基本均衡稳定。第二，使用土壤源热泵空调的运行费用较低。较低的运行费用使得土壤热源泵有一定的经济可行性。从其与传统空调系统的运行费用相比来看，每年大约可节省40%的运行费用。土壤源热泵空调系统的机组使用寿命长，设计使用年限均在20年左右。较长的使用年限摊薄了每年的成本费用，可以有效地降低使用维护成本。

二、地源热泵系统土壤源热泵系统的影响

（一）系统运行模式对U型管换热性能的影响

地源热泵系统在适应不同场合的供冷、采暖需求时有全天连续运行、昼开夜停间歇运行、全天不连续运行等模式，不同的运行模式下其埋管的换热效率是不尽相同的，有限差分模型为基础分析了不同运行条件下地埋管内流体和周围土壤的换热性能，结果发现，间歇运行时流体和周围土壤的换热性能高于连续运行时。于红海在建立了钻孔内二维、准三维传热模型的同时，又引入了脉冲热流对连续运行和间歇运行时的温度响应，建立了埋管换热器的较为完善的模型，对60m深U型埋管换热器地源热泵进行了夏季运行的实验测试。结果表明，在最佳流速0.42m/s时，由于连续运行时管内介质与周围土壤交换的热量来不及向周围扩散而影响了进一步的传热而使得全天連续运行时单位孔深换热量与系统制冷系数随运行时间的延长而减少，且昼开夜停运行模式易于保证地温的恢复，使对提高单位孔深换热量更加有利。

（二）不同运行方式下埋管周围土壤温度场的研究

地源热泵系统在与土壤换热过程中会改变土壤温度分布情况，土壤温度的恢复需要一段时间。因此在热泵系统的运行方面，需采用时停时开的间隙运行方案。对于别墅来说，不需要全天对室内进行供暖或制冷，因此可采取间歇式运行方式，既可缩短热泵系统运行时间，又减少了电能消耗，同时减轻了土壤的负担，与连续运行方式相比，更有利于土壤温度的恢复。为了更好地比较间歇式运行方案与连续式运行方案的区别，在初始条件相同的情况下，分别以间歇方式与连续方式运行。间歇运行方式的开停时间比1∶1，运行36h；连续运行方式运行24h。间歇运行与连续运行水平方向距埋管0.1m处土壤温度随时间的变化关系如图1所示。

由图1模拟结果可看出，在初始条件相同的条件下，前12h两种方式运行结果相同，土壤温度都为8.05℃，但间歇方式经12h的停机后，土壤温度恢复到9.20℃，已与初始温度十分接近，后12h运行结束后土壤温度为7.85℃，运行前后温差为1.35℃，而连续运行方式运行24h后土壤温度为7.30℃，后12h运行前后温差为0.75℃，得出间歇运行方式比连续运行方式埋管换热量提高了80.0%，由此可见，在相同的初始条件下，开停时间比为1∶1，间歇运行36h比连续运行24h的效果更好。

三、地源热泵系统优化与运行研究进展

（一）换热器的传热效果优化与评价

埋管换热器可分为水平埋管，垂直埋管和螺旋形埋管三大类。水平埋管形式适合于有足够空闲场地的地方，其埋管深度通常在1.2-3米。垂直埋管适合于10-100米埋深的U型垂直埋管或套管。螺旋型埋管形式结合了两者的优点，占地面积小，安装费用低，但其管道系统结构复杂管道加工困难，且系统运行阻力大，能耗偏高。应用有限单元法对土壤热源地下U型垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，其结果与试验测试值吻合良好，为U型垂直管埋深、数量及间距的设计提供了参考依据。丁力等针对影响土壤源热泵垂直埋管单管换热性能的几种因素进行分析研究，得到盘管物理特性与换热性能之间的内在联系，并利用数值计算方法进行数值模拟，计算值与实测值吻合的较好。赵军等采用能量平衡法建立了土壤层内U型管桩埋换热器稳态传热模型，并以天津市某地源热泵实际工程为背景，模拟计算了管脚热影响因子、土壤导热系数等对U型管桩埋换热器的传热性的影响。

（二）各种土壤状况下不同埋地换热器在不同埋管方式下的换热过程及换热机理分析

土壤的温度、热特性、热传导性、热传导性、密度、湿度等也是影响系统性能的因素。例如，卵石性土壤导热系数高，但施工费用大，因此，粘土和沙地是埋管系统较合适的土壤类型，另外，土壤潮湿可以加大土壤导热系数。热泵在运行期间会在盘管周围因土壤的冻结出现土壤冻土层，试土壤膨胀，与管道接触紧密而传热系数增大，但热泵一旦停止运行，冻土融化，就会使土壤位移。从而在土壤与盘管间出现空隙，由于空气的存在，使导热系数大幅下降。为避免这种情况发生，应采用沙土回填。范萍萍等提出在地源热泵运行过程中，利用间歇过程，弥补土壤传热慢的缺点。土壤源热泵间歇运行时间可以改变土壤温度的变化规律，增强传热并实现更佳的热泵运行工况。

四、结束语

地埋管地源热泵系统的研究和项目实施是我国地源热泵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和地表水地源热泵系统要稍高。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。

参考文献：

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