地源熱泵系統優(yōu)化分析

    近年來(lái)隨著(zhù)國家節能環(huán)保相關(guān)政策出臺，新型能源系統應用獲得極大發(fā)展，因其受資源限制因素少，應用地域廣，節能效果顯著(zhù)等優(yōu)勢，已在工業(yè)和民用領(lǐng)域獲得廣泛應用。以地源熱泵系統尤為突出，加之輔助系統的配合使用，使之成為替代傳統能源系統的重要形式之一。

    地源熱泵系統（GSHP）熱源來(lái)自取之不盡用之不竭的淺層地表土壤。冬季通過(guò)室外地埋側換熱將大地中的低位熱能提取出來(lái)，利用熱泵將溫度提高，用于建筑供暖，同時(shí)將冷量蓄存于土壤中，以備夏用。夏季通過(guò)室內末端將建筑內熱量借助熱泵轉移至地下，實(shí)現建筑降溫，同時(shí)蓄存熱量與既存冷量形成動(dòng)態(tài)平衡，充分發(fā)揮地下土壤蓄能作用，是一種維護環(huán)境綠色節能的系統形式。    我國北方地區氣候類(lèi)型主要為溫帶季風(fēng)氣候和溫帶大陸性氣候，并且受高緯度及北半球的“寒極”影響，冬季寒冷，伴隨環(huán)境變化，冬季土壤換熱能力下降，采用合理措施保證系統穩定運行將是技術(shù)設計需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

    以下是地大熱能地源熱泵研究人員關(guān)于地源熱泵系統運行效果取決于室外地埋側換熱器的換熱情況，通常其影響因素主要為土壤熱平衡狀況、自然環(huán)境條件、換熱管內工作流體性質(zhì)等的相關(guān)介紹。

    一、土壤熱平衡狀況

    土壤熱平衡本質(zhì)是動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)變化的，其過(guò)程中受諸多因素影響，如當地多年氣候分布、土壤構成情況、地下水分布變化、冬夏負荷情況等均會(huì )改變當地土壤熱量平衡分布曲線(xiàn)，當冬夏負荷相差大時(shí)曲線(xiàn)波動(dòng)尤為明顯。綜合以上因素并結合GSHP自身特點(diǎn)，其適用地域為冬夏氣候分明且負荷相當的地區，尤其適用于同時(shí)存在冬夏負荷需求的工程項目。    北方地區冬季寒冷供熱負荷大于夏季供冷負荷，導致熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使冷量積累土壤溫度逐年降低，造成地源熱泵機組蒸發(fā)器側取熱困難，蒸發(fā)溫度供熱量下降，同時(shí)壓縮機耗電量提高，COP下降。通常，機組蒸發(fā)溫度相對額定溫度降低1℃，機組的制熱功耗將增加3%。

    對于南方，地區夏季炎熱空調冷負荷大于冬季供暖負荷，導致熱泵向地下土壤的放熱量大于冬季自土壤的吸熱量，致使熱量積累土壤溫度逐年升高，造成地源熱泵機組冷凝器側放熱困難，冷凝溫度升高、制冷量下降，同時(shí)壓縮機功率提高，EER下降。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統的吸、排熱平衡是地源熱泵系統正常、高效運行的可靠保證。

    常見(jiàn)地埋管形式為水平埋管和垂直埋管，一般水平埋管埋深較淺，在地表15～20m區域內，此深度范圍的土壤受室外自然環(huán)境影響顯著(zhù)，呈現年變化季節分布，通常夏季時(shí)土壤換熱系數要高于冬季值，但相對垂直埋管系統的換熱系數要低。垂直埋管埋深多在80～100m，土壤溫度波動(dòng)很小，基本恒定，可按照高于歷年平均溫度1.5℃計算，根據實(shí)際工程經(jīng)驗，當冬夏負荷相差較多時(shí)，很容易造成熱量失衡，導致土壤換熱效果變差，為保證系統穩定需要采取輔助系統，解決熱量失衡問(wèn)題，至此類(lèi)似系統稱(chēng)為混合式地源熱泵系統。    常用方法為太陽(yáng)

    能集熱器輔助加熱（適用于北方地區，多用于提供生活熱水）、冷卻塔輔助散熱（適用于南方地區）、電鍋爐輔助加熱（適用于小規模冬季極寒系統），混合式地源熱泵系統建設初期投資成本增加，但與單獨的GSHP相比，具有調節靈活和運行費降低等優(yōu)點(diǎn)。

    二、土壤凍結對埋管換熱器傳熱的影響

    在北方寒冷地區，地埋側換熱器內液體溫度較低，在年極端天氣情況下若周?chē)寥罁Q熱效果差甚至會(huì )出現凍結的危險，土壤換熱受巖土類(lèi)型、地下水分布、土壤常年溫度分布、土壤含水率等諸多因素影響，其中土壤含水率對換熱量影響較為直接。當土壤中由于換熱導致水份凍結時(shí)，隨著(zhù)相態(tài)變化，有大量潛熱放出，在換熱量相同情況下，溫度降低幅度小，可保證換熱器周?chē)寥罍囟容^高。反之，則土壤溫度較低。由于工程的不確定性，即使選用先進(jìn)測量?jì)x器，受試驗季節時(shí)間影響，也無(wú)法獲得最準確的數值，若未能充分考慮土壤中水份凍結的影響，計算得出地下埋管周?chē)臏囟葓?chǎng)偏低，且隨含水率增大偏差越大，因此設計時(shí)應予以考慮。鑒于工程設計計算中多采用安全余量或保守的計算方式，對有關(guān)巖土凍結和其計算方法方面的研究有限，無(wú)論采用模型計算理論或經(jīng)驗估算方式，盡管在計算結果上存在差異，但可以肯定土壤凍結對地下埋管換熱是有利的。    三、埋管內工作流體參數影響

    目前常用經(jīng)軟化的自來(lái)水作為地源熱泵系統的工作流體，水是理想載熱流體，適用工況多，熱熔性好，氣液相態(tài)區間溫度可滿(mǎn)足多種用途。在南方地區，土壤溫度較高，換熱管內水溫在O～C以上，不存在凍結可能，無(wú)需考慮防凍。在北方地區，由于地下埋管進(jìn)水溫度較低，換熱效果差將導致?lián)Q熱管內水的凍結危險，即使在最初設計中無(wú)具體說(shuō)明，根據系統運行效果，一旦出現以上情況，需要及時(shí)添加防凍劑。選擇防凍劑的原則為：使用安全、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。添加防凍劑后的介質(zhì)動(dòng)力粘度增大，使得流動(dòng)狀態(tài)維持難度加大。經(jīng)計算在相同管徑、相同流速下，其雷諾數大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。紊流和層流為流體兩種不同的兩種流動(dòng)狀態(tài)，所謂臨界狀態(tài)即為Re（雷諾數）=2000時(shí)的流動(dòng)情況。當Re（雷諾數）>2000時(shí)，為紊流，此狀態(tài)下?lián)Q熱系數大效果好，由以上臨界流速比可知，采用CaCl和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量，即運動(dòng)阻力較大。

    地源熱泵系統是目前發(fā)展較為完善的節能系統，在其發(fā)展過(guò)程中不斷吸收完善新的技術(shù)，以適應越來(lái)越多工況環(huán)境要求，通常南方地區條件適宜對系統建設沒(méi)有諸多限制因素，在寒冷北方地區，系統建設時(shí)要考慮地下土壤熱平衡問(wèn)題，凍結問(wèn)題等因素，從保證換熱器管內工作介質(zhì)流態(tài)、換熱效果、系統穩定性角度考慮，采取防凍液、輔助電加熱、太陽(yáng)能系統等措施，可有效提高系統運行效果，利于運行。    地大熱能由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）組建，依托中國地質(zhì)大學(xué)的學(xué)術(shù)優(yōu)勢，組建了一批由海內外學(xué)者組成的世界一流的交叉人才團隊，聚集了十大優(yōu)勢學(xué)科領(lǐng)域十多位專(zhuān)家學(xué)者，定期研討地熱科學(xué)問(wèn)題、問(wèn)診地熱實(shí)際難題，在地（水）源熱泵換熱不夠、冷熱不均、填充不實(shí)、漏水、土壤溫度過(guò)低、井深不夠、水質(zhì)不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等問(wèn)題有著(zhù)豐富的經(jīng)驗及客戶(hù)案例。