地源热泵系统土壤热失衡优化方案研究现状

耿德皓

(沈阳建筑大学,辽宁 沈阳 110168)

0 引 言

随着时代的发展,资源匮乏状况不容乐观,大量消耗一次能源使环境恶化问题日益严重,温室气体和有害气体的排放加剧了环境破坏,以常规能源为主的世界能源结构导致化石能源燃料储备的枯竭和污染。

如图1所示,我国一次能源消费总量逐年上升,《中国统计年鉴》数据显示,2019年我国一次能源消费总量为4.87×109t标准煤,与2015年相比,增加了13.4%。

图1 2015—2019年一次能源消耗变化图

清洁可再生能源的利用已成为国家安全、全面、协调、可持续发展的重大战略问题。在“十四五”规划中,国家将大力发展和开展地热能和其他清洁能源的利用。地热能是一种清洁、低碳、分布广泛、资源丰富、安全和高质量的可再生能源。地热能的开发和利用具有持续稳定的能源供应、高效循环和可再生利用的特点,并可减少污染的排放,改善环境质量,在清洁能源开发和使用中占有重要地位。地源热泵是使用电能将低品位的可再生能源转化为高品位的热能,进而对建筑进行供暖和供冷。在夏季,地源热泵系统可以通过热泵将地下的冷量提取出来为末端进行供冷;在冬季,地源热泵系统通过热泵将末端的冷量排到地下来为末端进行供热,其工作原理如图2所示。

图2 地源热泵工作原理图

使用地源热泵对节约能源和实现“清洁、低碳、安全、高效”的目标有很大帮助。而对地源热泵系统对地下的取放热不平衡就会造成地下土壤温度的失衡,从而造成热积累现象,影响地源热泵高效稳定地运行。本文对消除地源热泵热不平衡现象的方法做一综述。

1 土壤热不平衡优化方法

热不平衡现象的发生点在地源侧,因而对地源热泵的埋管长度深度、回填材料、钻孔间距等因素进行优化可以降低土壤热不平衡对地源热泵系统带来的影响,从而提高热泵机组的性能系数,使地源热泵系统高效安全稳定运行,也可以采用复合式地源热泵,解决土壤的热失衡问题。在地源热泵系统的运行策略上,也可以进行优化以达到最优的效果。

1.1 埋管深度

随着土壤的深度增加,土壤温度受到地表因素影响越小,土壤的温度越稳定,地埋管埋于地下的深度越深则换热能力越稳定,而地埋管的埋深越深则热量的消除越慢,较小的地埋管埋深,可以有效地降低地源热泵的热不平衡现象。余鑫[1]以上海某档案馆为研究对象,对其地源热泵系统进行长期的运行模拟发现,在不同的埋管深度下土壤的温升不同,土壤的始温为18 ℃,系统模拟运行15年后,埋管深度在60 m时,土壤温升为2.27 ℃;埋管深度80 m时,温升为2.8 ℃;埋管深度100 m时,温升为3.33 ℃;埋管深度120 m时,温升为3.92 ℃。随着埋管深度的增加,土壤的温升也随之增加,这说明较小的埋深更有利于土壤的热平衡。李少华等[2]以杭州一综合办公楼为研究对象,对其地源热泵系统进行了长期模拟发现,地埋管的埋深在20 m的时候,土壤一年的温升为0.63 ℃;埋深在40 m的时候,土壤一年的温升为0.54 ℃;埋深在60 m的时候,土壤一年的温升更是达到了1.47 ℃。因此合理地设置地埋管的埋深对地源热泵的高效运行很有必要。

1.2 回填材料

不同的回填材料具有不同的导热系数,因此,回填材料的类型对于土壤的热平衡有很大的影响。张玟等人通过对大量文献的调研得出,通过向回填材料中加入添加剂,可以使回填材料的导热系数增大。对于水泥来说,当水和灰的比例在0.45的时候导热性能最好。向回填材料中加入膨润土,导热系数先增后降,砂子相比于黏土导热系数更好。回填材料中含砂量越高,导热系数越大[3]。

1.3 增加钻孔间距

不同的钻孔间距对土壤热平衡的影响不同,对于地源热泵的长期运行,钻孔间距对于土壤热平衡的影响是不可忽视的。骆祖江等[4]对丹阳城区的一个地埋管地源热泵系统进行模拟运行,从而探究钻孔间距对土壤热平衡的影响。模拟结果发现,在地源热泵钻孔间距都为5 m时,运行10年,一到五区的土壤温升分别为6.9 ℃、10.24 ℃、11.64 ℃、7.44 ℃、6.71 ℃,土壤温度失衡严重,造成了土壤的热不平衡现象。随着钻孔间距的增大,土壤的温升显著下降,当一区的间距增加到18 m,系统运行10年土壤的温升为0.48 ℃;二区间距增加到23 m,土壤的温升为0.44 ℃;三区间距增加到17 m,土壤的温升为0.47 ℃;四区、五区增加到20 m,土壤的温升分别为0.43 ℃和0.42 ℃,热不平衡的现象得到了有效的解决。鲍谦等[5]对上海某客运站地源热泵系统的埋管间距进行了研究,对热泵系统进行建模,结果表明,随着钻孔间距的减小,土壤的平均温度不断上升,将钻孔的间距设置在4 m是地埋管运行的最优条件。花莉等[6]对上海市某办公楼与实验用楼的地源热泵系统进行Trnsys建模,系统模拟运行10年,钻孔的间距由3 m增加到4 m时,土壤的温升从10.94 ℃降低到7.99 ℃;钻孔间距由4 m增加到5 m时,温升降低了1.93 ℃;钻孔间距由5 m增加到6 m时,温升降低了1.35 ℃。增加钻孔间距可以有效地减少土壤热不平衡现象,但是一味地增加钻孔间距会造成占地面积的增大,因此在实际工程中还要结合实际去进行设计。

1.4 热泵机组的间歇运行

地源热泵机组的间歇运行是在保证空调末端满足相关的设计参数要求的情况下,让热泵间歇运行,这可以让地温场有一定的时间去恢复地温,从而使热泵机组平稳地运行。赵亚楠[7]通过对山东某学校的地源热泵进行模拟研究,结果表明地源热泵的间歇运行相比于连续运行更加节能。热泵机组的间歇运行对土壤温度有一定的影响,有利于热泵机组的高效运行。吴春玲等[8]对天津某办公楼地源热泵项目进行了模拟研究,研究发现在不进行优化时,系统连续运行30年,土壤的温升为12.41 ℃,在对系统进行间歇运行优化研究后,发现运行的起止时间在7—17时地源热泵的运行最好,连续运行30年,土壤的温升为5.42 ℃,有效解决了土壤热平衡的问题,可以使机组高效稳定运行。

1.5 复合式地源热泵系统

常规的地源热泵系统在对地下的取放热不平衡时,会造成土壤温度的失衡,造成土壤的热不平衡现象,如果加入辅助装置使机组向地下的取放热减少,这还可以降低建设初期地埋管的经费,缓解土壤温度失衡的问题。

对于夏热冬冷冷负荷大于热负荷的地区一般采用冷却塔等设备进行辅助散热,避免土壤温度失衡的现象发生。李瑞丰[9]对冷却塔辅助地源热泵系统进行了研究,研究表明,当地埋管的进水温度与环境温度温差大于8 ℃时,开启冷却塔辅助散热;当温差小于7 ℃时,关闭冷却塔,可以有效地减少土壤热不平衡的问题。马文涓[10]对冷却塔辅助地源热泵系统进行了建模,研究发现,在没有冷却塔辅助时,地温上升明显,加入冷却塔辅助后,土壤的温升得到有效的降低。陈大建[11]利用模拟软件建立了混合式地源热泵系统模型,得出辅助复合系统适合在夏热冬冷地区使用;冷却塔的不同运行时间对系统的长期运行有影响,冷却塔的运行时间越长,土壤的温升越小,机组的性能系数越高。赵双龙[12]对重庆某办公楼进行了模拟研究,研究表明冷却塔的辅助运行可很好地解决土壤热不平衡问题,并且冷却塔最佳的运行策略是冷却塔在系统运行的第三年开启,承担50%的散热,并且在冷却塔的进水温度高于湿球温度4 ℃时开启。程晓曼等[13]通过模拟分析得出,在夏热冬冷地区制冷期采用夜间利用冷却塔进行土壤蓄冷可以有效地缓解土壤不平衡现象,系统模拟运行10年,土壤的温升只有0.8 ℃。

对于严寒寒冷地区,热泵机组对地下的取热大于排热,这时候就需要对系统进行补热以达到土壤的热平衡。强小倩[14]对沈阳的某教学楼进行了模拟研究,结果表明,采用燃气锅炉辅助地源热泵进行供暖可以保证土壤温度场的平稳。陈申伟[15]对天津某大学某教室进行了模拟研究,结果表明,联合供暖有效地解决了土壤热不平衡问题,并且使系统的性能系数增加了9.1%。王诗蒙[16]对北方的农村住宅进行了模拟研究,利用Trnsy模拟得出结论,以地源热泵与太阳能联合供暖可以大幅节约一次能源的消耗,也避免了土壤温度失衡的问题。丁兆磊[17]利用模拟软件对太阳能辅助地源热泵进行了长时间的模拟,得出在只有地源热泵进行供暖的时候地温的平均值逐渐下降,当采用太阳能进行辅助供热后土壤热不平衡问题减弱,并且在太阳能集热器的面积为400 m2时系统的运行达到最优。

1.6 系统运行策略优化

对于采用复合式地源热泵机组的系统,不同的运行策略可以取得不同的效果,在解决土壤热不平衡问题的同时也可以在最大限度地达到节能目标。通过模拟不同运行策略下地源热泵联合辅助设备的运行情况,得到蒸发器冷凝器的进出口水温、机组的功耗等参数的变化规律,从而找到最优的运行策略。黄新江[18]对夏热冬冷地区一地源热泵系统进行优化模拟,得出在地源热泵单独运行策略下,运行10年后土壤的温升达到6.71 ℃,夏季机组的COP为3.48,冬季机组的COP为4.39,不能满足机组长期稳定的运行。对系统进行优化之后的控制策略为地源热泵系统的用户侧采用变水温调节控制,并且开启冷却塔采用定时启停的策略进行辅助散热。模拟结果表明,在运行策略进行优化之后地源热泵机组冬季和夏季的性能系数均明显上升,土壤热不平衡问题得到了有效解决。朱立东[19]对上海某办公楼进行模拟研究,得出在将地源热泵机组地源侧冷却水的进水温度设置得越低,系统的性能系数越高,土壤的热不平衡现象越少,当设定冷却水水温为29 ℃时为最佳,此时机组的性能系数为4.325;在冷却塔运行时,最优的控制策略是供回水的温差为2 ℃时开启冷却塔,此时机组的性能系数为4.488,土壤的温升为1.65 ℃;在过渡季单独启用冷却塔进行散热,土壤的热堆积现象得到很好的缓解,在系统运行时,地源热泵机组的性能系数为4.541,土壤的温升为0.92 ℃。石维群[20]对地源热泵的传热介质进行了优化,并对不同的进出口温度对系统的影响进行了分析,得出在夏季高供回水温度具有可行性,在长时间的运行中,既能维持土壤的热平衡,也能在很大程度上节省能耗。

2 结 论

地源热泵对地下的取放热不平衡造成土壤温度失衡现象,影响地源热泵机组的高效运行,造成能源的浪费。本文总结了解决土壤温度失衡的相关方法,可以运用到实际的工程之中,第一种是对地源侧地埋管相关参数进行优化,例如地埋管钻孔间距、埋深的设定、回填材料的性能系数;第二种是采用混合式地源热泵系统,增加散热或补热设备;第三种在系统运行时采用适当的控制策略,例如对热泵机组冷却水冷冻水水温的控制,对冷却塔启停时间的控制,对地源热泵进行间歇运行控制,对太阳能集热器的面积控制等,都可以有效缓解土壤温度的失衡,使地源热泵高效稳定运行。