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地埋管地源热泵系统的热平衡 3同济大学 马宏权 龙惟定摘要 分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来与影响 ,提出了解决该问题的技术思路 ,并结合实际项目的测试分析 ,讨论了对解决该问题有利的系统设计原则和运行模式。关键词 地源热泵 热平衡 优化设计Gro u nd heat bala nce i n GS H PB y M a H on g qu a n a n d L on g W ei d i n gA bs t r a c t D isc uss es t he c a us e a n d ef f e c t of g r ou n d h e a t bal a nce i n GS H P , a n d p uts f o r w a r d t he t ec h nic al c o nsi de r a t i o ns f o r s ol vi ng t his p r o ble m . B as e d o n t es t da t a of a c t ual p r oje c ts , disc uss es t he op t i miz e d s ys t e m desi g n f u n da me n t al a n d op e r a t i o n m o de .Ke yw o r ds GS H P , he a t bal a nce , op t i miz a t i o n desi g n Tongji Unive rsit y , Sha nghai , China0 引言地埋管地源热泵 ( gro und2co up le d heat p ump )系统的研究和项目实施是我国地源热泵 ( gro und so urce heat p u mp ) 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 ( gro u ndwat e r heat p u mp ) 和 地 表 水 地 源 热 泵( surf ace wat er heat p u mp ) 系统要稍高 1 。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 ( gro u nd heat e xcha nger) 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 。随着我国的城市化进程和能源紧缺形势的发 展 ,地埋管地源热泵系统的数量和规模近年来快速 增加 ,全国已经有多个数十万 m2 的地埋管地源热 泵项目。与欧美地埋管地源热泵主要采用水平埋 管式地埋管换热器、通过小型热泵机组承担别墅等 小型住宅空调的方式不同 ,我国的地埋管地源热泵 系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公 建筑 ,地埋管换热器一般采用在一定区域内密集布 置的竖直单 U 甚至双 U 形地埋管换热器群 ,近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩 密集布置地埋管换热器群的新方式。这些密集型 竖直埋管的方式虽然能较好地适应中国地少人多 的国情 ,但是也带来了技术上的隐患 ,那就是地埋 管换热器布置范围内的土壤热失衡问题 ,它已经引 起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担 心 2 。1 土壤热平衡问题的由来地埋管地源热泵依靠地埋管换热器从地下土 壤中提取能量 ,虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤 ,但地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量一般并不一 致 ,这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力 ,造成其温度不断偏离初始温 度 ,并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降 ,这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。地埋管地源热泵周期运行后土壤温度出现上 升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果 ,都对系统持续稳定运行不利。如果地埋管地源热泵系统承担全部空调负荷 ,大多数情况下其全年的取放热 马宏权 ,男 ,1979 年 1 月生 ,在读博士研究生201804 上海市曹安公路 4800 号同济大学嘉定校区 132306信箱量不平衡 ,在我国部分地区可能表现为散热量多于 取热量。这主要是由于供冷季 、供暖季持续时间和 负荷强度有明显差异 ,而且夏季土壤还要承担制冷 机组和水泵等设备散热造成的。例如在夏热冬冷 地区 ,建筑物夏季供冷的时间要比冬季供暖的时间 长约 2 个月 ,供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝 对值高出近 1 倍 ,在以供冷为主的地区这种差异更 大。这样 ,系统运行一年后积累的热量会引起土壤 温度逐年上升 ,严重时会造成夏季高峰负荷期地埋 管换热器内循环冷却水温度达 40 以上 ,引起热 泵机组制冷效率严重降低。如图 1 ,2 所示 ,运行第3 年的上海某办公楼地埋管地源热泵系统 ,由于系 统投入运行后 , 建筑物实际夏季负荷大于设计状 态 ,造成地埋管换热器数量不足 ,每天系统启动后 冷却水温度从 37 持续上升约 6 , 热泵机组 CO P 从启动工况的 3 . 66 下降到最不利时的 3 . 14 , 降幅达 13 . 9 % ,很明显 ,地埋管地源热泵系统此时 不但效率降低 ,而且持久运行特性也已变差。在我 国东北以供暖为主的地区 ,理论上也可能出现地埋 管地源热泵连年运行后土壤温度下降 ,但以供暖为 主的系统采用辅助热源的比例较高 ,实际出现土壤 失衡的可能性较小。地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的 非稳态传热过程 ,它以土壤导热为主 ,但同时还包 括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流 以及地下水的迁移传热 ,因此土壤的热物性、含水 量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性 、流速等都对单个地埋管换热器的传热过程产生影响。 地埋管换热器群中特定位置的土壤温度变化还受临近位置多个地埋管换热器温度波在该处迭加的影响 。空调运行期间 ,周期性变化的负荷输入加上 过渡季节空调系统的停运 ,引起了地埋管换热器周 围的土壤温度场总处在“升温 降温 升温”的循 环变化过程中。土壤的散热包括两方面 ,一方面为 地下水迁移带走的热量 ,另一方面为土壤的热传导 所带走的热量 ,散热的对象都是大地 ,由于大地本 身具有足够大的容积 ,所以只要设计能保持每年空 调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热 能力 ,就可以保持全年的热平衡。2 土壤热平衡的特征2 . 1 土壤热平衡的时间尺度 土壤热失衡问题与地埋管地源热泵的运行过程紧密相关 ,但是它所针对的并不是系统某个夏季运行中的土壤温升或冬季运行中的土壤温降 ,而是 运行一个周期年之后土壤温度与初始土壤温度的 变化 ,以及连续运行多年后土壤热堆积对系统运行 特性的影响。因此 ,分析土壤热失衡问题的时间尺 度应该是系统寿命周期内以 a ( 年) 为单位的离散点。1 a 的土壤累计温升可能只是 1 的量级 ,对 热泵机组和系统效率影响不大 , 但是如果处理不 当 ,5 a 或 10 a 后的温升就会较高 ,造成系统运行 情况明显恶化。2 . 2 土壤热失衡问题的影响因素空调季节地埋管换热器内的逐时负荷输入造成 土壤温度波向远离地埋管换热器壁面方向传递 ,但 对于远离其壁面不同距离处有不同的峰值衰减和时 间延迟 ,此时 ,土壤是热泵的热源或热汇 ,热量是通 过地埋管换热器内的强制对流逐次传递给土壤的。而过渡季节空调停运时的土壤热扩散则是自然传热 过程 ,地埋管换热器附近的土壤由于其储热向远处 扩散而造成自身温度缓慢趋于初始值。可见土壤的 热平衡是个复杂多变的过程 , 量化分析有理论上的 困难 3 ,但更为麻烦的是复杂的分层地质差异、多变的地下水含量与流速、长期运行空调逐时负荷的变 动等诸多微观因素 ,使得贴近实际情况的模拟软件 模型搭建困难 ,如此长模拟时间对于实际情况的偏 差也难以控制 4 。但排除地埋管换热器换热效果的 影响 ,土壤热失衡问题应从冬夏空调负荷情况、地埋管换热器的间距、地埋管换热器系统构成和实际运行情况几方面进行分析。空调负荷差异是土壤热失 衡问题出现的根源 ,但是对于具体项目这是确定的 和难以改变的 ,而系统构成和间距则在设计中可以 调整和优化 ,后期运行管理是落实设计中技术措施 的关键环节。设计合理的系统如果管理运行不当 , 也会造成全年热失衡或季节局部土壤热平衡不利 , 因此地埋管地源热泵的热失衡问题应该主要通过优 化设计和规范管理来共同解决。2 . 3 土壤温度变化的趋势分析 地埋管换热器周围的土壤温度变化总是由内向外逐层传递 ,任何一点的逐时温度主要由冬夏季节两条周期性变化的日平均温度波的相位和波幅 叠加决定 ,同时还受空调间歇运行造成的多条逐时 温度波变化影响。因此 ,全年在以地埋管换热器中 心为半径的各层土壤的温度变化规律大致相同 ,可 以近似认为是多组以年为周期波动的正弦曲线。地埋管换热器近壁处土壤的温度波动幅度较大 ,竖 直地埋管换热器半径方向上各处温度振幅迅速衰 减 ,这是因为土壤换热作为管内强迫传热和管外自 然传热的一种复合传热过程 ,其热阻主要是管外的 土壤热阻 ,因此土壤对传热的波峰衰减和时间延迟增大 ,地埋管换热器总热阻迅速增大 ,土壤完全依 靠自身扩散取得热平衡所需的恢复时间增长。同 时由于土壤温度的传递是动态的 ,需要认真分析不 同地埋管换热器温度波的叠加 ,比如夏季刚开始运 行时 ,地埋管地源热泵的散热效果是比较好的 ,但 如果持续运行 ,当不同地埋管换热器的温度波开始 叠加而互相影响后 ,就会出现冷却水温度升高和系 统效率下降的情况 ,此时土壤温度将进入快速上升 期 ,此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。 因此应根据需要合理设定地埋管换热器的布置间 距 ,如能适当增加地埋管换热器钻孔的深度 ,也将 有利于提高地埋管地源热泵系统的持久运行特性。3 某地埋管地源热泵土壤温度变化实测分析测试项目位于武汉市 ,地埋管地源热泵系统为 总建筑面积 38 000 m2 的约 200 户小高层住宅居民 提供空调冷热源。项目设计夏季总冷负荷 1 560kW ,冬季热负荷 1 000 kW ,地埋管换热器安装于2002 年 ,共采用 240 个 70 m 深的地埋管换热器 ,钻 孔间距为 4 m 。该地埋管地源热泵系统设有辅助冷 却塔 ,但系统从 2004 年夏季开始运行至今 ,由于尚 未出现冷却水温度持续超过设计值 ,因此冷却塔从就显得非常明显 5 。浅层土壤随全年大气温度波未投入使用。本文整理了该系统从2005年冬季开动和太阳辐射变化时的温度变化情况也可以形象地说明这一点 ,图 3 为从国家气象局实测数据整理 得到的上海浅层土壤历年月平均温度 ,可见 3 . 2 m 处土壤温度的波幅就小于地表的 1/ 5 ,波峰出现的 时间也延迟了近 4 个月。图 3 某项目浅层土壤温度变化情况当夏季工况结束时 ,地埋管换热器周围土壤温 度场并没有马上进入恢复阶段 ,而是按照该处土壤 滞后的相位温度继续逐次升高 , 直至达到该处波 峰 ,这个相位的延迟越远 ,离地埋管换热器需要的 时间越久 。这说明土壤自身的热扩散和温度恢复 能力是比较差的 ,原因在于土壤本身的热阻要高于 管内对流热阻和管壁的热阻 ,因此随着散热半径的始连续 3 个季度的监测记录 ,剔除数据不全日期后 的汇总数据见图 49 ,分析可得出如下几条规律 :1) 由图 46 可见 ,地埋管地源热泵冬夏运行 时 ,土壤温度的日变化很小 ,但是对比图 4 和图 6可见 ,2006 年 1 月 7 日比 2005 年 1 月 7 日的土壤 温度有明显的升高 ,这证明了地埋管地源热泵的热 平衡是长期运行特性的反应。而且距离地埋管换 热器中心越远 ,土壤温度受地埋管换热器的影响越 小 ,并且温度值越接近土壤的初始温度越稳定 。2) 对比图 7 和图 8 可见 ,夏季土壤温升比冬季 土壤温降明显 ,沿竖直地埋管换热器半径方向的衰 减也更为迅速 ,这说明夏季空调负荷强度大于冬季。3) 对比图 4 和图 6 以及图 7 和图 9 ,均可见地 埋管地源热泵运行一年后 , 各层土壤的温升为1 . 52 ,从冬季运行数据来看 ,距离地埋管换热 器中心越近温升越明显。可以预测 ,对比不同周期 年夏季运行工况中得到的测试数据将呈现距离地 埋管换热器中心越近温升越大的趋势 。而这两种 趋势可以导致周期年后地埋管地源热泵系统的冬季制热效率稍有提升但夏季制冷效率明显下降。4 国内土壤热失衡的几种常见情况分析国内的地埋管地源热泵运行时间都不很长 ,其 持久运行情况还有待观察 。从目前运行中暴露出 来的问题来看 ,运行中的土壤热失衡主要可以分为 以下几种情况 :1) 出现最多的情况是为了节省地埋管地源热 泵系统的初投资 ,地埋管换热器数量布置过少 ,从而引起空调季持久运行特性变差 。市场中恶性竞争引起的价格战助长了这种行为的蔓延 ,应该引起 足够重视 。2) 另外一种出现较多的情况是由于可供地埋 管换热器布置的面积较小 ,从而减小了地埋管换热 器间距 ,使得单个地埋管换热器的扩散半径减小 ,降低了持久运行特性 。3) 热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹 配 ,造成局部土壤温升过高 。4) 复合式系统管理运行不当。因为操作人员 嫌麻烦 ,空调季随着负荷增长不及时甚至完全不开 启调峰设施 ,或经常在空调负荷不大时只开调峰设施而不运行地埋管地源热泵系统 ,都将影响调峰设施的冷热平衡功能 ,导致系统冬夏季节取放热量不 平衡率大于设计值 ,土壤出现热堆积 。这种情况在 一些大项目中已出现较多且没有引起足够的重视。5) 运行管理不完善 ,造成不必要的运行困难。有些操作人员在部分负荷时间只开启部分热泵机组 ,但不关闭其余热泵机组的阀门 ,导致运行中机 组的冷却水流量因为分流而过小 ,从而冷却水温升 过高 。这种问题其实不属于土壤热平衡问题 ,完全 可以通过改进运行管理来方便地解决。5 土壤热失衡的解决方法地埋管地源热泵的热失衡问题并不是技术上 的难题 ,完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。解决的方法在于减小地埋管 换热器群的密集度和冷热负荷的不平衡率 ,前者可 以通过增大地埋管换热器布置的间距、减小地埋管 换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行 ,而后 者可以通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施实现 。相比较而言 ,减小地埋管换热器群的密集度需要增加地埋管换热器布 置面积 ,因而其实施受实际情况限制 ,但对于系统 持久安全运行更有用。采用系统调峰等措施可以 将土壤温升控制在一定范围内并获得较好的经济 性 ,但合理的调峰比例需要根据空调负荷情况作技术经济分析确定 。目前地埋管换热器制冷和制热的出力一般按 照持续稳定 24 h 后的土壤热特性测试结果作为参 考依据进行设计 ,虽然这些测试数值考虑了系统连 续运行后的效率下降 ,但不能反映地埋管换热器组群之间的互相影响 , 因此实际使用当中要进行修 正 6 。有调峰的复合式系统的整体经济性更好 ,因 此条件具备时应该优先考虑作为解决土壤热失衡 的主要措施。但是应该注意调峰系统同时也提高 了剩余地埋管换热器的使用频率 ,因此调峰后土壤 承担的冬夏负荷不宜相差过大。利用带热回收功 能的地埋管地源热泵机组提供生活热水 ,在冬季增 加了地埋管地源热泵系统的取热负荷 ,在夏季回收 了热泵机组向地下的冷凝排热 ,在过渡季节部分带 有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使 用从地下取热 ,这对缓解土壤热失衡非常有益 ,同 时也可以提供廉价的生活热水 ,对有生活热水需要 的项目也是非常适合的一个技术手段。此外 ,条件适合时还可以采用以下技术手段缓 解土壤热失衡问题 :1) 将地埋管换热器与热泵机组对应设置成多个回路 ,轮流使用 ,部分负荷时优先使用地埋管换 热器布置的周边回路 ,以延长地埋管换热器的温度 自然恢复时间 ,避免中心局部过热。2) 在地埋管换热器布置场地中心位置布置温 度传感器 ,对空调季土壤温度进行实时检测 ,当土壤温升超过规定数值后 ,启动调峰系统运行。条件 合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制 和管理系统 ,以确保地埋管地源热泵系统处于较好 的控制和调节状态。3) 地埋管地源热泵即使不采用复合式系统 ,也可以预留冷却塔位置和接口 ,以保证如果持续运行 出现土壤温升超出控制范围 ,启动冷却塔辅助冷却。4) 对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可 以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统 ,或 者在空调不运行的夜间将冷却塔和地埋管换热器串联使用以冷却地下土壤 ,可以很好地解决热失衡 问题 ,并不影响系统经济性 。由于地埋管地源热泵 系统在夏热冬冷地区的主要节能优势在冬季 ,在夏 季 ,常规冷水机组的效率提升并不明显 ,因此在夏 季灵活启动冷却塔并不降低系统的效率和经济性 ,但可以很好地改善土壤热失衡状况。6 结论6 . 1 我国的地埋管地源热泵运行时间不长 ,尚未 暴露出土壤热失衡的严重后果。但鉴于我国快速 发展的地埋管地源热泵市场和高度密集的竖直埋管方式 ,土壤热失衡问题必须引起足够重视 ,没有土壤热平衡方案的地埋管地源热泵系统持续运行 数年后存在出现效率下降和持续运行效果变差的巨大风险。6 . 2 土壤热失衡问题影响因素众多 ,量化分析和 数值模拟均较为困难 ,但最主要的两个影响因素是 单位地埋管换热器钻孔深度年运行热净差和地埋 管换热器的布置间距。因此改善地埋管换热器热 平衡状况的主要方向是通过优化设计减小空调系 统冬夏累计负荷差异 ,同时适当增加地埋管换热器 的间距和深度 ,然后在运行中依靠复合式系统的调 节管理保证系统保持长期稳定运行。6 . 3 采用复合式系统是解决土壤热失衡问题的较 好途径 ,根据系统构成制定地埋管换热器的全年取 放热平衡方案 ,有助于从根本上减少出现土壤热失 衡 ,而设置有效的土壤温度检测系统和相应的调节 控制系统是实现这一措施的关键。6 . 4 应当注重和加强对地埋管地源热泵系统的运 行管理 。地埋管地源热泵系统运行管理不善会引 起甚至放大土壤冬夏取放热量的不平衡率 ,而且可 能使系统设计时所采取的热平衡措施失效 ,这也是 目前实际中出现问题较多的薄弱环节 。建议以后 对较大的地埋管地源热泵系统制定具体的全年运 行模式和规范化运行管理规定 ,并对操作人员进行 相关培训 ,以减少不必要的系统效率下降。 参考文献 : 1 Willia m S F. Gro und2so urce heat p ump de sign and operatio n experience wit hi n a n A sian co unt r y G A S H RA E Tra ns , 1998 ,104 (2) : 7712775 2 Zeng Heyi , Diao Nairen , Fang Zhao ho ng. Efficiency of vertical geo t her mal heat excha nger s in