浅谈土壤源热泵节能措施

许本亮张萍(.浙江商业职业技术学院；2.浙江理工大学)

浅谈土壤源热泵节能措施

许本亮1,2张萍1(1.浙江商业职业技术学院；2.浙江理工大学)

目前随着人们对建筑室内环境舒适度的要求的不断提高，各种类型的暖通空调系统得以大范围的推广开来，然而在能源日益紧缺的大时代背景下，迫使暖通空调系统向节能性方向发展，通过技术上的创新来利用可再生能源替代短缺能源，而土壤源热泵系统就是应运而生的可再生能源建筑应用技术之一。然而土壤源热泵由于面世时间较短，系统并没有得到最大化完善，目前影响地埋管束换热效率的因素包括管径、钻孔直径与钻孔间距、管内流体及进出口温度、管材、埋管方式及深度、土壤深度等[1-3]。下面就几个主要影响因素以及有关提高土壤源热泵换热效率作简要介绍。

土壤源热泵;节能;措施

1 前言

目前随着人们对建筑室内环境舒适度的要求的不断提高，各种类型的暖通空调系统得以大范围的推广开来，然而在能源日益紧缺的大时代背景下，迫使暖通空调系统向节能性方向发展，通过技术上的创新来利用可再生能源替代短缺能源，而土壤源热泵系统就是应运而生的可再生能源建筑应用技术之一[4]，土壤源热泵系统的室外换热系统利用地埋管束与地下水储存的地热能进行热量交换，从而达到调节室内温度的要求的。它不仅减少了电能的使用量，充分使用地热能源，而且能减少污染物的排放，缓解城市热岛效应，环保又清洁。

然而土壤源热泵由于面世时间较短，系统并没有得到最大化完善，首先是系统初期投资通常较大，使用寿命较短，并且随着使用年限其供暖制冷效果会逐渐变差，并且受到不同地区的能源政策所约束。

2 土壤源热泵工作原理简介

一个典型的土壤源热泵系统主要由地埋管换热系统、室内换热系统以及空调控制系统三大部分组成，其原理与传统空气源热泵差别不大，具体原理见图1，箭头A和B所构成的循环回路是土壤源热泵系统与土壤热能之间换热的回路，换热介质为水，箭头C与D所构成的循环为土壤源热泵系统与室内空调机组末端之间换热的回路，其换热的介质为空气也可以是水[5]，不同季节之间回路转换可通过系统内部的阀门Y1-Y4来控制，具体转换详见图中表格。

图1 土壤源热泵系统原理图

3.1 管径

通常来说，在限定流量相同的条件下，管径的的不同改变会引起管道内工质参数等的相应变化，对于一个土壤源热泵系统，还会影响相应的地埋管的换热面积，从而进一步影响其换热量。实际上地埋管管内流体与管外土壤之间的热交换是一个复杂的不可逆过程。

实际工程当中地埋管管径不宜过大，否则会导致管内流体流速过小，不利于换热，一般而言，流体的流态以湍流为宜。当然，地埋管直径也不宜过小，否则管内流速会偏大，不仅会导致地埋管阻力过大使得水泵能耗增加，又会导致换热过程不充分，影响换热效率。根据《热源热泵工程技术规范》(GB50366-2009)，双U 土壤换热器内流速不宜低于0.4m/s，单U 土壤换热器内流速不宜低于0.6m/s。通常，设计中管段单位长度的水头损失宜小于0.04 m/m[6]。

3.2 埋管深度

土壤源热泵地埋管深度是整个系统最关键的部分，埋管较浅则对钻机要求比较低，可以节省成本，并且换热土壤层与大气距离近，换热速度快容易恢复热平衡，但是会导致换热不充分，并且通常需要钻较多的钻孔从而占用较大的面积。埋管较深则与浅埋相反，其换热效率高，占用面积小，缺点则是钻孔较深使得初期投资偏大，且对系统性能要求较高，同时由于深层土壤热恢复性较差，温度场容易受到土壤源热泵换热的影响，长期吸热放热的不平衡会影响土壤源热泵的使用寿命。为了规避深埋和浅埋的缺点，尽量结合两者的优点，在工程项目上普遍采用中埋的方式，即敷设深度介于30m-60m之间[7]。

3.3 埋管形式

土壤源热泵地下埋管一般大多采用垂直埋管方式，将换热管束安装到钻孔中。垂直埋管形式一般分为单U形管、双U型管、螺旋式盘管、大口径螺旋式盘管、立式柱状管、套管式管等形式[8]。当前较为常用的是U形管式、套管式和单管式，

(1) U型管式

由于换热性好，管路简单可靠，施工简单，因此在垂直埋管方式中，U型管的应用最多，一般安装在直径为100-150mm，深40-150m的钻孔内，垂直U型地埋管的布置形式有两种，空调系统的末端负荷较小时，则U型管换热器所需长度则较短，埋管数也相应较少，在系统末端负荷较大的情况下，所需的U型管长度则较长，并需考虑U型管束群的布置问题，通常情况下通过一个集水器汇集各个钻孔中的地埋管。然后经环路干管接入系统控制中心。

对于土壤源热泵地埋管的敷设，通常地埋管群的设置形式会影响换热效率。通过对一个36钻孔的土壤源热泵系统的研究中，当地埋管吸热放热平衡时，地埋管束的设置类型与形式影响不明显，而当地埋管吸热与放热不平衡时，通过实验发现设置类型形式对换热器的影响很大，水力半径越小，系统的换热效率越高[9]。

(2)套管式地埋管的外管直径一般为100～200mm，内管为15mm～25mm。相对于U型管式地埋管束，套管式地埋管的外径较大，其换热面积也相应增大，因此换热量较高，不足的是钻孔直径较大，从而导致初期较大，且管道敷设难度也相应较大，所以只用在深度在30以内的竖直埋管。此外，在套管式地埋管敷设过程中，其套头部分最好由工厂定制加工并现场装配，以确保精密度。

(3)单管式地埋管通常用在地下水源热泵系统。只需在地下水位以上挖一个直径150mm的孔，采用一根出水管和一根回水管连接热泵机组进行换热，由于换热后的水直接排放到地下水中并且系统的运行需要地下水资源，因此受到资源的限制并且相关国家政府法规不允许。

3.4 回填材料

回填材料也是影响土壤源热泵换热器换热性和系统效率的比较重要的因素[10]，将地埋管置于地下钻孔中，然后填充回填材料以固定地埋管设备并增强其于与土壤的换热，在施工过程中，需要根据实地情况，选择比较合适的回填材料，一般而言好的回填材料通常环保无污染，稳定性好，比较耐久，并且能够增强地埋管换热器的换热能力，从而间接减少初期投资，也能保证系统的稳定性。

通常在钻孔施工中，主要考虑回填材料与土壤的导热系数，可以将钻孔过程中排出的岩土回填通常可以保证与原土壤一致的导热系数，但是这些土壤在挖出后已经受到了不可逆的微观变化，因此不能达到回填理想状态。工程上应尽量选择导热系数稍大于土壤导热系数并且与地层相近的材料进行回填。

3.5 不同区域

在土壤源热泵的安装过程中，需要根据当地现场的土壤环境做针对性的专业设计，需要考虑的因素有土壤特性(热扩散率、土壤导热系数、土壤含水量等)、地理及气候特性。在土壤源热泵换热器与土壤进行热量传递的过程中，导热系数越大，传热性能越大，反之则越小，而土壤含水量较高也会使得换热效率变高，减少能耗，此外针对土壤含水量的特性，需要考虑在随着换热进行，土壤中的水分也会随着热湿传递的转移，导致土壤传热性能下降[11]，这种情况下则需要适当补充土壤的水分。

4 土壤源热泵节能高效强化传热技术措施

4.1 地埋管换热系统的优化

(1)回填材料强化传热

相应国外的研究表明，在实际工程中，采用一定比例混合而成的超可塑水泥沙可以大幅度提高导热系数[12]，而向回填材料中添加导热性较好的物质也可以相应提高导热效率，如石墨、二氧化硅等，而国内有关技术科技人员在研究土壤源热泵的强化传热实验中也发现，在地下水位年变化较大或者比较干旱的地区，不适宜采用膨润土作为回填材料，因其换热效率低且失水后易收缩产生裂隙[13]，不利于换热。

(2)地埋管各项参数

a，管径，从投资角度可选大管径以减少费用，从初期投资上考虑选择尽量偏小管径，从而保证紊流增加换热效率，综合考虑可以选择管壁薄，管径适中的地埋管；b，管内液体，南方一般以水为流体比较适宜，而北方气温较低必须使用防冻液，防冻液一般需要具有成本低，导热性好，安全无毒等特性，在实际工程中，需根据实际情况使用防冻液；c，埋管材料形式，相关研究对单双型地埋管实验比较中得出双U型管具有更高的换热效率，在进一步的研究中发现，新型3式管具有更加优异的传热能力，在对地埋管形式的研究中得到的结论则是：在地埋管外部设置换热元件能有效提高换热效率[14]。

(3)运行方式优化控制

运行方式主要指运行控制策略，有关学者针对土壤源热泵地埋管束在非饱和土壤下的工况做了相关比较性研究，结果表明，在持续100天的研究中，每个实验组对应的换热效率在初始都比较高，而随着时间的推移，换热效率逐渐下降，产生这一现象的主要原因是土壤源热泵地埋管与土壤的不断换热破坏了土壤层原先较为稳定的温度场，使得土壤温度升高而减小了换热效率，在另一组比较性实验中，得到结果是间歇性运行的系统换热效率显然高于连续性运行模式，因为间歇性运行模式能使土壤温度层得到部分的复原[15]。因此，合理的运行策略能够控制土壤温度层的变化情况，进而提高地热能的利用率，有利于整个系统的长效运行.

(4)地下水渗流强化传热

地下水渗流对土壤源热泵换热效率的影响主要来自两方面，其一是可以增强地埋管换热器的换热效率，有关研究表明，地下水渗流的增加会使得土壤源热泵地埋管单位面积换热量升高，提高换热效率，二是减轻系统由于冷热负荷的不平衡问题给土壤带来的不利影响，在有关实验的数据分析中表明，一定流速的地下水渗流，能较大范围降低由于系统冷热负荷不均引起的土壤温度场不平衡效应，在同样条件下有地下渗流的土壤源热泵地埋管系统周围土壤温升明显小于无地下水渗流的土壤[16]。因此，在实际工程中，需对工程所在实际地质进行调研分析，选择适宜的土壤区域，从而强化土壤源热泵的传热。

4.2 地上系统的优化

辅助散热对改善地埋管换热效果的理论分析：土壤源热泵主要采用土壤温度来作为热泵系统的热源，虽然其具有充分利用地热可节能的优点，但是也存在热传递缓慢以及土壤热堆积等问题，使得土壤温度场平衡发生变化。为减弱甚至消除这种热不平衡，缓解地埋管换热器部分出现的热堆积现象[15]，发挥其技术优势更好实现节能性，可以在系统中添加冷却塔、余热锅炉、蓄冷槽、生活热水器等辅助平衡冷热负荷的设备，以提高系统的换热效率.

5 结论

在能源紧缺环境问题日益严重的时代背景下，土壤源热泵越来越受到重视，地埋管强化传热也成为其核心问题，国内外专家学者也纷纷进行相关研究。本文主要总结了土壤源热泵地埋管存在的问题以及提高其换热效率的技术措施，其中影响土壤源热泵地埋管的换热效率的因素主要有管径、埋管深度、形式、回填材料、土壤填埋区域，在实际工程中要根据不同的地域土壤气候条件选择合适的地埋管系统参数形式，针对地埋管的存在的问题也提出相应的强化传热措施，包括回填材料强化传热、地埋管系数、运行方式优化、地下水渗流强化传热等五项措施，一定程度上可以提高地埋管的传热效率并且具有可行性也已应用到实际工程中取得了良好的效益。当然由于地下传热仍然是一个不能完全掌握的过程，因此仍然需要对其进行进一步的研究。

[1]毛炳文，余跃进.地埋管换热器换热性能影响因素的研究[J].建筑节能，2011.09:27-31.

[2]姚奇志，刘秋新，石文，等.地源热泵地埋管热短路问题的研究[J].制冷与空调(四川)，2012，( 6):536-540.

[3]李鹏辉，刘泽华，王新华，等.地埋管地源热泵系统的研究现状[J].洁净与空调技术，2012，02:60-64.

[4]徐伟.《中国地源热泵发展研究报告》(摘选)——国际国内地源热泵技术发展[J].建设科技，2010，18:12-18.

[5]王芳.土壤源热泵系统实际设计应用[J].区域供热,2014,02:33-41.

[6]GB50366-2009,地源热泵工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7]魏加项，唐志伟，丁万磊，等.地源热泵系统地中集热器强化传热初步研究[J].北京工业大学学报，2004，30(1):55-58.

[8]丁勇，李百战，卢军，等.地源热泵系统地下换热器设计讨论[J].工程建设与设计,2005，12:10-14.

[9]李志方,邬田华.土壤源热泵地下换热器的影响因素分析[C].格力--华中科技大学第六届制冷空调研究生学术年会，2013.

[10]朱洁莲,杨卫波,嵇素雯.土壤源热泵地埋管传热强化研究现状及其发展[J].制冷与空调(四川)，2013,(5):488-493.

[11]王华军，齐承英，王恩宇，等.土壤高温储热条件下热湿迁移过程的实验研究[J].太阳能学报，2010,31(7):824-828.

[12]杨卫波，王松松，刘光远，等.土壤源热泵地下埋管传热强化与控制的试验研究[J].流体机械，2012,40(10):62-68.

[13]刘玉旺,于明志,王淑香,方肇洪.地埋管换热器回填材料导热系数实验研究[J].山东建筑大学学报，2009,(5):449-453.

[14]刘超 高理福 李云忠，等.单U型和双U型地埋管换热器换热性能试验研究[J].四川建筑科学研究，2015.(1):289-291.

[15]陈正顺、余跃进、张 勇、王晏平.辅助散热对地源热泵地埋管换热器换热效果改善的分析[J].流体机械,2009,37(9):71-74.

[16]冯琛琛、王沣浩、张鑫、姜宇光、王新轲，地下水渗流对垂直埋管换热器换热性能影响的实验研究[J].制冷与空调(四川)，2011,25(4):328-331.

许本亮(1984- )，男，河南商丘人，助教，浙江理工大学博士在读，研究方向：建筑节能。