第３１卷第４期 吉林建筑工程学院学报 Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．４ ２０１４年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｕｇ．２０１４ 土壤源热泵系统地下热失衡的解决措施 李姝睿 白 莉 杨孟乔 （吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春１３０１ １８） 摘要：保持长期运行后地下土壤的热平衡是地源热泵系统的关键问题之一．本文从系统因素，人为因素和外界因素 分析了土壤源热泵系统热失衡问题的特点及产生原因，阐述了土壤源热泵系统热失衡的影响和危害．并从设计、施 工和运行管控三个角度提出了辅助冷热源、分区合理布井、地埋管防漏、规范回填、分区恢复和间歇控制等解决该 问题的建议措施． 关键词：地源热泵；土壤热平衡；地埋管布置；间歇控制 中图分类号：ＴＵ ８３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—０１８５（２０１４）０４—００３３—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｈｅａｔ Ｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒ ＧＳＨＰ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｓｈｕ—ｒｕｉ，ＢＡＩ Ｌｉ，ＹＡＮＧ Ｍｅｎｇ—ｑｉａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ １３０１ １８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｔｒｕｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｉｓ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ—ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ（ＧＳＨＰ）ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｂｒｉｅｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｙｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｔｓｅｌｆ，ｈｕｍａｎ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｅｘ— ｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｈａｚａｒｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄ—ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｔｈｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｓ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅｓ，ｒｅａｓｏｎａ— ｂｌｅ ｗｅｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ，ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｌｅａｋ ｐｒｏｏｆ，ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ—－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｓｏｉｌ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ；ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ ｌａｙｇｕｔ；ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引言 地源热泵系统中，土壤源热泵系统适应性广，可因地因时而异，而且更加适合我国地源热泵系统服务对 象规模大的特点，应用日益广泛．但当土壤源热泵系统长期常年运行时，冬夏季冷热负荷不平衡地区，特别是 严寒地区和夏热冬暖地区，地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡，是制约我国大型土壤源热泵发展的重要 因素．因此，对土壤源热泵系统的热平衡问题的分析是保证系统长期稳定高效运行的关键． １ 土壤源热泵系统热失衡问题的特点及产生原因 土壤源热泵系统热平衡问题在于，实际工况下当冬夏季吸排热量差异过大，超越土壤自恢复能力时，将 导致土壤温度的逐年升高或降低，进而造成冷量或热量在地埋管周围的堆积，使系统效率逐年下降，难以体 现土壤源热泵高效节能的优势 Ｊ．地埋管地源热泵热失衡根本上是冬夏自土壤取放热量的差异所导致的． 这取决于该系统本身的复杂特性和人为因素两方面． １．１ 系统自身特征 土壤源热泵系统本身具有依托环境，因地而异，自适应性不强的特征，如不能使系统从土壤中取放的热 量控制在地埋管周围土壤的自恢复能力范围内，容易产生不平衡的隐患．如图１所示，土壤源热泵系统的年 收稿日期：２０１４—０３—２０． 作者简介：李姝睿（１９９０一），女，吉林省松原市人，在读硕士研究生 ３４ 吉林建筑工程学院学报 第３１卷 循环过程为，在夏季从室内吸取热量，并通过地埋管向土壤中释放这 部分热量，土壤温度随之升高，经历恢复期后，在冬季系统将由地下吸 收热量供给用户方，土壤温度随之下降，再经历恢复期 ．理论上，夏 季向土壤的排热量与冬季土壤的吸热量相等时，经过一年的周期土壤 温度场基本不发生变化，就可以保证土壤源热泵在使用寿命内稳定运 行．但由于我国地理条件和气候条件复杂，各地对冷热负荷的需求比 例大不相同，北方多以供热为主制冷为辅，南方多制冷为主供热为辅， 只有少部分地区自然满足冷热需求量相当（即吸放热量差不过分超 过土壤自恢复能力），这就使得多数土壤源热泵系统都需要考虑土壤 热平衡问题． １．２人为因素 图１土壤源热泵工作原理图 设计中的不合理因素．为节省初投资，节省占地面积，设计时布置 地埋管数量过少，布置过密或采用较浅埋深的现象比较严重，这会导致土壤蓄能体积减小，单位埋深取放热 量增加，埋管问温度波叠加，土壤温度难以自恢复，使本来处于可控范围内的热平衡问题加剧．施工运行，调 试管理控制不当．施工中的技术问题，如钻孔较深时打孔的偏差可能使深层埋管的间距变窄；操作人员专业 技术不强，对复合式系统的运行管理不当，做不到间歇控制等．因此产生了不能按需开启辅助冷热源，未有效 利用调峰设施的冷热平衡功能，对流量和阀门的管控不善等一系列问题，致使系统从土壤取放热量的不平衡 率大于设计值，产生冷堆积或热堆积． １．３外界因素 由于地源热泵系统大多比较独立，因此不同地区地址水文条件的复杂性等外界因素同样不可忽视．由于 我国幅员辽阔，地理条件和气候条件等自然条件复杂，导致各地冬夏季对冷热负荷的需求比例差异较大．如 北方多以供热为主，空调方式辅以制冷，南方多制冷为主，空调方式辅以供热，只有少部分地区可以达到自然 满足比例相当的冷热需求量．另外地下水丰富地区，地埋管附近地下水的流动和渗流利于换热器传热，相对 于岩石等地下结构不易出现热失衡．再者不同地质条件和回填土的热传导性能的差异也不容忽视． ２ 土壤源热泵系统热失衡的影响和危害 ２．１不利于系统长效保质运行 地埋管周围土壤的热失衡将致使热泵机组的能效不断降低，甚至有导致热泵机组无法正常运行的风险． 证实在严寒或寒冷地区热泵系统冬季供暖所需负荷大于夏季制冷所需负荷，系统冬季从土壤吸取的热量大 于夏季向土壤排出的热量，长此以往，土壤温度有逐年降低的可能，导致地源热泵机组冬季时蒸发温度降低， 系统耗功率上升，ＣＯＰ值下降，一般地下土壤温度每降低１℃则通过其制取同等热量的能耗将增加３％～ ４％＿３］对于南方地区热失衡情况下，也存在制冷量降低，系统效率下降的可能．可以说一个不考虑热平衡问 ．题的土壤源热泵系统是不完善的系统． ２．２对地质环境和生态环境的影响 由于地埋管地源热泵系统直接利用换热器由土壤取热，必然对局部土壤热、湿及盐分迁移产生影响，而 影响的多少则需要根据研究的深入逐步量化，使不利因素减到最小．理论上在一定时期内，生态系统在一定 范围内处于相对稳定的动态平衡状态．任何一个环节的非正常变化都可能造成生态系统的破坏．业界认为在 全年冬夏由土壤取放热量相等的条件下，土壤源热泵不会对生态系统造成任何影响，但由于量化困难及指导 性理由不充分．人们对于由于热平衡问题所引起的热堆积而造成的土壤温度变化，及其对大地热流和生态环 境带来的影响所知甚微．但土壤源热泵系统对作用半径内的地址环境，水文环境和生态环境的影响不容忽视 是不争的事实．由于温度是影响生物酶活性的重要因素，土壤源热泵系统常年由土壤吸取和释放热量的过程 无疑会给作用半径内的动植物和微生物的生长和生态循环带来不可逆的影响． 第４期 李妹睿，白莉，杨孟乔：土壤源热泵系统地下热失衡的解决措施 ３５ ３ 解决方法 ３．１设计措施 目前国内冬夏负荷不平衡地区，地源热泵热的地下热失衡问题解决的设计手段日趋多样化，设计时应采 用多种设计系统方案对比，根据实际情况得出最优方案．本文主要从系统设计和地埋管换热器设计角度分以 下几个方面展开． （１）在土壤源热泵系统设计前应充分考察工程场地具体状况，以及该区域地下浅层的资源和地质条件 是否适合该系统． 设计前根据规范和需要做岩土热响应试验，必要时增加测试孔数量．根据测得的地下水 文条件、岩土土质和岩层分布，为设计方案的选择提供依据． （２）设置辅助冷热源以分担过多的冷负荷或热负荷 Ｊ． 例如，严寒地区采用太阳能集热器收集太阳 能或利用燃气燃油和城市热网等方式向土壤补热；又如夏热冬冷地区，可采用冷却塔等设备辅助供冷． （３）采用冬夏季面积分区的方法，同一套地源热泵系统负担不同的供热面积和制冷面积． 根据冬夏 季冷热负荷一致或根据研究得到的最佳冷热负荷比例，将冬夏冷热负荷比折合成供热面积与制冷面积比，面 积差值部采用其他手段制冷或供热．这种方法打破传统的供热面积与制冷面积一般相同的束缚，设计、控制 和运行都比较灵活，用于功能特殊的建筑效果更佳． （４）利用设计计算软件进行地埋换热管设计． 如瑞典隆德大学的ＥＥＤ；威斯康星大学ＳＥＬ的ＴＲＮ— ＳＹＳ；俄克拉何马州大学的ＧＬＨＥＰＲＯ等软件，是根据现今国际较认可的瑞典隆德大学的ｇ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ算法编 制的，利用以上软件计算和国内大专院校研究的专业软件计算比按钻孔单位延米换热量设计地埋管更加科 学． （５）控制地埋管换热器的布置密度和布置深度，并适度减小地下换热器单位深度的设计负荷． 换热 器群的密集度过高，必然会带来冷量和热量的过分堆积，一旦这种冷热量的堆积超过土壤的自恢复能力必将 影响系统连年运行，导致系统效率连年下降．现在国内竖直地埋管间距一般在４ｍ～６ｍ，钻孔深度一般为 ５０ｍ～１５０ｍ，理论上竖直地埋管问距越大，深度越深，单位深度设计负荷越小系统的连年运行Ｉ生能越稳定，不 易出现热平衡问题．但实际上钻孔间距和钻孑Ｌ深度与初投资和占地面积成正比，部分设计者设计时为节省初 投资，减小占地面积，往往采用钻孔密集或竖直埋管布置数量不足等方式，初始运行不易发现弊端，但持久运 行系统存在性能变差的风险，需要特别注意． （６）采用分区布井、分区调控的地埋管布置方案． 将地埋管按恢复能力大小根据全年逐时冷热负荷， 先从土壤温度易恢复区域取放热量，峰值时再开启土壤温度恢复不利的区域．由于土壤源热泵系统的动态 性，设计时应力求达到自动化．并采用适合系统的竖直地埋管换热器形式，竖直地埋管有单ｕ，双Ｕ，螺旋盘 管，蜘蛛状，套管式，立柱状等，优缺点各异，应结合岩土热响应试验和经济特性选择． ３．２施工措施 地埋管防漏，回填注意事项和系统调试是针对地源热泵热平衡问题施工中 可以采取的主要措施．施工中规范的施工工法是系统合格的保证，严格按照设计 施工是保证系统高效合格的基础． 一是地埋管防漏．地埋管系统内循环水的密封性是系统正常工作的基础，一 旦发生泄漏不仅修补难度大，还有污染土壤环境的副作用．应选用出场不久且不 污染环境的聚乙烯、聚丁烯管材，施工前空气试压查漏并注意保护和存放．管道 采用热熔电熔连接，除Ｕ型弯头竖直埋管为整根管材．应该严格按照管道压力试 验制度等相关规定，井下管道完工后均进行水压试验，试验合格全面消除隐患后 应进行保压回填． 二是回填材料选择和回填注意事项＿５ Ｊ．回填材料的导热系数不宜低于钻孔 外岩土导热系数，抗渗性能也是选择回填材料的重要指标．回填材料对竖直埋管 图２地埋管回填示意图 ３６ 吉林建筑工程学院学报 第３１卷 换热器传热特性乃至整个热泵系统的运行特性会产生影响．施工中应主要采用以膨润土或水泥为基料的灌 浆作为回填材料，必须杜绝夹杂物碎石作为回填材料，回填料必须在钻孔内充分沉淀并保证其密实度．施工 中应加大监督力度，确保回填过程中所用材料及施工功法规范化． ３．３运行管控 加强运行管理，采用分区恢复、间歇控制、系统调峰等方法，是运行管控中改善土壤热失衡现象的有效手 段．由于土壤源热泵机组的使用周期较长，维持长期高效的系统运行，离不开合理的运行管理．对于地源热泵 系统来说合理规范的运行管控，不仅可以保护系统长效高质运行，还能抑制土壤的热失衡． 一是间歇控制．业界认为土壤源热泵系统中热源群分布负荷的周期性间歇动态控制，有利于改善能量的 可控性传输和扩散 ，合理的间歇时序能够促进土壤蓄能及抑制所蓄热量或冷量的流失，并认为昼夜性间 歇控制的效果优于全日性间歇控制． 二是系统调峰．复合式系统运行时可以通过设置系统调峰，随全年不同季节的负荷变动要求及时开启系 统调峰设施，合理管控地源热泵系统的运行，从而充分利用调峰设施的冷热平衡功能． 三是分区恢复土壤温度的方法．对于管井排数较多的地埋管换热器群，可以采用分组控制的方法，换热 能力和恢复能力强的管组优先运行，而换热能力较差的管组在必要时运行可得到更长的恢复时间，这样可有 效避免埋管群的中心区域出现冷热堆积累现象． ４ 结论 地源热泵系统的广泛应用对于建筑节能具有重要意义，而解决土壤源热泵系统的热平衡问题又关系着 地源热泵系统的长效高质运行．本文充分分析了土壤源热泵系统的热平衡问题出现的系统原因，人为因素和 复杂的自然地质条件等原因，并从设计、施工、运行管理角度分别提出了一系列解决措施． （１）设计阶段充分分析建筑的负荷特性，采取合理的地埋管布置方案，必要时采取设置辅助冷热源； （２）施工中注意地埋管防漏，回填材料选择，规范回填等； （３）运行管理中采用分区取热分区恢复，间歇控制，系统调峰等方法． 参考文献 ［１］马宏权，龙惟定．地埋管地源热泵系统的热平衡［Ｊ］．暖通空调，２００９（１）：１０２—１０６． ［２］刘晓茹．地埋管地源热泵系统热平衡及其地域性分析［Ｊ］．暖通空调，２００８（９）：５７—５９． ［３］何冰雪，刘宪英．北方地区应用地源热泵应注意的问题［Ｊ］．地温建筑技术，２００４（２）：８５—８６． 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