土壤物理特性对土壤源热泵影响的研究

刘佳莉 马 能

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司黄河西岸土地整治分公司 陕西西安 710075）

引言

《中国人民共和国可再生能源法》将风能、水能、生物质能、太阳能、海洋能和地热能等非化石能源列为国家优先开发利用的国家重要资源。我国地热资源丰富，在供暖和制冷方面，土壤源热泵技术可以发挥其优势。土壤源热泵技术的发展也越来越成熟，土壤与热泵技术相互作用、影响研究甚少，本文就针对土壤物理特性对热泵机组运行效果影响等方面，查阅论文，整理思路仅供参考。

1 土壤源热泵技术

1.1 技术简介

土壤源热泵技术（GSHP）利用地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换。地面一定深度以下土壤温度全年基本稳定，且较低于年平均气温。通过吸、放热可以分别在夏冬季为蒸发器和泠凝器工作提供所需的温度。土壤源热泵技术是一种将低品位热能向高品位热能转移的一种技术，可实现制冷和采暖双工况。

按照管材分类，一般采用热熔性塑料管，包括聚乙烯管、聚丁烯管、聚氯乙烯管、聚丙烯和铝塑复合管等。

1.2 地埋管传热研究

自20世纪初期，国外专家在换热器数值分析方面进行了大量的研究，较为典型的有两种。Kelvin线热源理论[1]和Kavanaugh[2]建立了圆柱热源模型，都只能近似模拟传热过程，存在一定的误差，应用具有局限性。

国内学者在线热源的基础上提出平均传热系数的传热评价标准，并对套管式和U型管地下换热器传热热阻进行分析对比。还有学者通过对试验模型热过程进行分析，建立了与实际地下埋管换热器结构参数相吻合的三维传热数学模型，通过有限单元法和向前差分法求解相应微分方程，并进行关联耦合。

1.3 土壤源热泵的优点

（1）土壤源热泵的冷源和热源来自土壤，将从土壤中吸收热量和冷量转移到室内达到制冷和供暖的效果。利用的是土壤这一可再生的天然、可再生能源。有利于低碳环保和可持续发展。

（2）与传统空调加锅炉系统相比较，土壤源热泵无需设置冷却塔和锅炉系统，系统简单、运行费用低；与传统的空气源热泵系统比较，运行费用降低一半左右。

（3）换热器深埋于地下，空调机房占地面积减少。

2 土壤物理特性对土壤源热泵影响的研究

2.1 土壤特性

土壤的热物性参数包括：土壤密度、含水率、比热容、饱和度、孔隙比、导热系数和土壤初始温度。土壤热物性参数是主要影响土壤源热泵系统的重要因素之一，土壤源热泵系统中的埋管深度、埋管间距、U型管的进出口温差、换热器传热性能等都由土壤物性参数确定。

土壤作为土壤源热泵系统的吸热与排热场所，其热物性及初始温度分布对土壤源热泵系统的性能会产生很大的影响，不同埋地换热器在不同的土壤结构和地层状况条件下换热情况是不同的，所以研究土壤的热物性和初始温度分布对于土壤源热泵系统的研究具有重要的意义。

2.2 土壤物性参数对土壤源热泵影响研究

长安大学张小刚[3]对西安市不同地貌单元浅层岩土热物性对土壤源热泵系统的影响进行分析，通过岩土热响应实验，得到结论：主城区黄土塬地貌区域包气带厚度30～60m，其他区域包气带厚度2～30m。地下120m内，岩土综合导热系统的范围是1.551-2.0W/（m·K），容积比热容范围在2.255×106～2.709×106J/（m3·℃）。恒温层至地下120m内岩土的平均温度范围16～18℃。通过DeSE年运行能耗值计算和经济效益比较，得到土壤源热泵相比常规空调节能效果明显。

天津大学张士花[4]对土壤热泵机组连续使用效果进行了实验测试，选择双U型地埋管，得出机组运行4年后土壤温度有所上升，机组运行效果降低。

重庆建筑大学王勇、曾森等人[5]试验研究，分析出不同的回填介质、水流速率、连接方式、季节对地埋管传热系数的影响，为强化和优化地下传热提高了可靠的依据。

2.3 土壤热物性参数测定方法研究

北京工业大学王瑞华等[6]研制了一套土壤导热系数测定系统。其技术是建立在LonWorks现场总线技术、DDE标准和VisualBasic数据库开发技术基础上，输入功率进行控制。

东南大学单奎[7]在传统的岩土热物性参数测试方法的基础上，提出了一种更节能的线热源制造方式。它基于Ingersoll计算模型对岩土热物性进行测定。

3 土壤源热泵辅助系统

土壤源热泵系统的地埋换热管传热性能受到土壤物性参数影响较大，当系统连续运行时，换热器周围土壤吸收和释放热量出现不均衡，热泵系统的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度变化的影响而波动，导致系统效率降低。同时，北方和南方地域差异较大，在南方土壤源热泵系统所需的制冷量大于制热量，而在北方恰恰相反。为了解决这一现象，提高土壤源热泵的适用性，可以增加相应的辅助系统。

在夏季，土壤源热泵系统处于制冷工况下，从室内系统出来的冷却剂可以先通过冷却塔进行预冷后，再通地埋管热管进行二次降温，冷凝温度降低，不仅提高了换热效果，同时，在相同制冷量的条件下，地埋换热管的面积相应可以减小。在冬季，土壤源热泵系统处于制热工况下，从室内系统出来的冷却剂可以通过太阳能加热系统预热，再通过地埋管换热进行二次升温，提高了蒸发温度，同样可以达到增强换热和减少地埋换热管面积的作用。埋地换热管的初投资占土壤源热泵系统的50%左右，降低换热器面积是减少土壤源热泵系统初投资的具有重要意义。

[1]Ingersoll L R,Plass H J.Theory of the Ground pipe heat source for the heat pump[J].Heating，piping ＆ air conditioning，1948，20：119～122.

[2]Ingersoll L R，Zoeble O J，Ingersoll A C.Heat conduction with engineering，Geological and other application[M].New York：McGraw-Hill，1954.

[3]张小刚.西安地区岩土综合热物性参数分析及土壤源热泵经济适应区研究[D].西安：长安大学，2014.

[4]张士花.土壤源热泵换热器周围土壤温度变化研究[D].天津：天津大学，2008.

[5]王 勇.地源热泵研究（I）-地下换热器性能研究[D].重庆：重庆大学，1997.

[6]王瑞华，张亚庭，王普.土壤源热泵中土壤导热系数测定系统设计[J].计算机测量与控制，2008，16（2）：171～173.

[7]单奎，张小松，李舒宏.一种现场测定土壤源热泵岩土热物性的新方法[J].太阳能学报，2010，31（1）：22～26.