地源熱泵系統優化分析

    近年來隨著國家節能環保相關政策出臺，新型能源系統應用獲得極大發展，因其受資源限制因素少，應用地域廣，節能效果顯著等優勢，已在工業和民用領域獲得廣泛應用。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）熱源來自取之不盡用之不竭的淺層地表土壤。冬季通過室外地埋側換熱將大地中的低位熱能提取出來，利用熱泵將溫度提高，用于建筑供暖，同時將冷量蓄存于土壤中，以備夏用。夏季通過室內末端將建筑內熱量借助熱泵轉移至地下，實現建筑降溫，同時蓄存熱量與既存冷量形成動態平衡，充分發揮地下土壤蓄能作用，是一種維護環境綠色節能的系統形式。    我國北方地區氣候類型主要為溫帶季風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設計需要重點解決的問題。

    以下是地大熱能地源熱泵研究人員關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、自然環境條件、換熱管內工作流體性質等的相關介紹。

    一、土壤熱平衡狀況

    土壤熱平衡本質是動態的實時變化的，其過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改變當地土壤熱量平衡分布曲線，當冬夏負荷相差大時曲線波動尤為明顯。綜合以上因素并結合GSHP自身特點，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器側取熱困難，蒸發溫度供熱量下降，同時壓縮機耗電量提高，COP下降。通常，機組蒸發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境影響顯著，呈現年變化季節分布，通常夏季時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，土壤溫度波動很小，基本恒定，可按照高于歷年平均溫度1.5℃計算，根據實際工程經驗，當冬夏負荷相差較多時，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，解決熱量失衡問題，至此類似系統稱為混合式地源熱泵系統。    常用方法為太陽

    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點。

    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圍土壤換熱效果差甚至會出現凍結的危險，土壤換熱受巖土類型、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，隨著相態變化，有大量潛熱放出，在換熱量相同情況下，溫度降低幅度小，可保證換熱器周圍土壤溫度較高。反之，則土壤溫度較低。由于工程的不確定性，即使選用先進測量儀器，受試驗季節時間影響，也無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圍的溫度場偏低，且隨含水率增大偏差越大，因此設計時應予以考慮。鑒于工程設計計算中多采用安全余量或保守的計算方式，對有關巖土凍結和其計算方法方面的研究有限，無論采用模型計算理論或經驗估算方式，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

    目前常用經軟化的自來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，氣液相態區間溫度可滿足多種用途。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，無需考慮防凍。在北方地區，由于地下埋管進水溫度較低，換熱效果差將導致換熱管內水的凍結危險，即使在最初設計中無具體說明，根據系統運行效果，一旦出現以上情況，需要及時添加防凍劑。選擇防凍劑的原則為：使用安全、無毒、無腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長等特點。添加防凍劑后的介質動力粘度增大，使得流動狀態維持難度加大。經計算在相同管徑、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狀態，所謂臨界狀態即為Re（雷諾數）=2000時的流動情況。當Re（雷諾數）>2000時，為紊流，此狀態下換熱系數大效果好，由以上臨界流速比可知，采用CaCl和乙二醇水溶液時，為保證管內的紊流流動，與水相比需采用大的流速和流量，即運動阻力較大。

    地源熱泵系統是目前發展較為完善的節能系統，在其發展過程中不斷吸收完善新的技術，以適應越來越多工況環境要求，通常南方地區條件適宜對系統建設沒有諸多限制因素，在寒冷北方地區，系統建設時要考慮地下土壤熱平衡問題，凍結問題等因素，從保證換熱器管內工作介質流態、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大學（武漢）組建，依托中國地質大學的學術優勢，組建了一批由海內外學者組成的世界一流的交叉人才團隊，聚集了十大優勢學科領域十多位專家學者，定期研討地熱科學問題、問診地熱實際難題，在地（水）源熱泵換熱不夠、冷熱不均、填充不實、漏水、土壤溫度過低、井深不夠、水質不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等問題有著豐富的經驗及客戶案例。