地源熱泵熱平衡問題分析與工程應(yīng)用

王偉

摘要地源熱泵系統(tǒng)運行其實是利用大地的蓄能來達到地源熱平衡，又因為環(huán)保高效能、成本費用低等優(yōu)點，在全世界范圍內(nèi)得到了大力的推廣與應(yīng)用，在地源熱泵系統(tǒng)不斷應(yīng)用中出現(xiàn)了問題，地源熱泵因常年運行存在著吸排熱不平衡的問題，導致熱堆積從而引起性能下降。本文從地源熱泵熱平衡問題以及地源熱泵運行對生態(tài)環(huán)境的影響進行闡述，并從熱平衡問題影響因素出發(fā)，最后提出相應(yīng)地源熱泵熱平衡問題的對策。

關(guān)鍵詞地源熱泵；熱平衡；問題分析；工程應(yīng)用

地源熱泵冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對建筑供暖，同時使大地中的溫度降低，即蓄存冷量以備夏季使用。夏季通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進行降溫，同時在大地中蓄存熱量，以備冬季使用。地源熱泵系統(tǒng)主要用地下水或地表水與巖土作為低溫熱源，地源熱泵系統(tǒng)分別由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)與建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成。地源熱泵系統(tǒng)主要是利用地表淺層儲存能源，這種能源不會受地理位置的限制，可以無限循環(huán)的利用。這種能源叫可再生能源。利用這種可再生能源的地源熱泵技術(shù)具有節(jié)約能源、高效利用、運行成本低等好處。

1地源熱泵熱平衡問題

1.1地表淺層冷熱負荷不平衡

地源熱泵是由地熱換熱器通過提取地表淺層的溫差能，然后經(jīng)過熱泵機組把熱源與熱匯擴散到自己周圍范圍內(nèi)的地表。所以常年運行利用地表淺層熱能的地源熱泵系統(tǒng)就需要考慮常年從地表淺層提取熱能和放出熱能的平衡問題。這就是我們常說的土壤源熱泵熱平衡問題。由于我國地區(qū)在氣候上差異明顯，尤其是西北區(qū)域更是差異明顯。這就導致我國大部分區(qū)域建筑物地表淺層處于冷熱負荷很不平衡，使建筑物地表常年處于冷熱負荷較大的狀態(tài)，甚至會因為常年對地表進行提取與放出熱量不一致，形成我們所說的地下土壤“熱堆積”，其實就是土壤熱失衡。如果出現(xiàn)這種問題的發(fā)生，那么這樣的大地土壤就很難自身修復(fù)，甚至會造成大地土壤內(nèi)能量無法再循環(huán)以及利用，這就是造成土壤熱失衡的主要原因，這樣客觀的因素是難以改變的。如果大地土壤長期在“熱堆積”下運行，往往會超出土壤自身的擴散熱量的能力，最終會造成大地土壤內(nèi)的溫度與原始溫度逐漸偏離，可能會造成地表淺層溫度會不斷升高或降低，從而使熱泵機組在夏季運行時，制冷效果和效率嚴重下降，最終會影響熱泵機組的運行效率。

1.2地源熱泵的設(shè)計問題

地源熱泵可以利用地表淺層提取熱能和放出熱能的規(guī)律進行運行，夏季能夠使地表建筑能夠制冷冬季能保溫。地源熱泵在夏季與冬季交替運行中，地表土壤就成為能源載體和傳遞介質(zhì)，在溫度變化上，是由埋管附近沿著路徑逐向外擴散，單位鉆孔在熱擴散半徑與自身擴散體積對半徑范圍內(nèi)的土壤溫度降低或升高的幅度是非常重要的這是因為土壤自己是一個巨大的蓄能體，在儲存能量時，蓄能體積會不斷的增大，從而降低大地土壤平均溫度的變化幅度。所以在一定間距內(nèi)合理的布孔，就不會在各埋管之間發(fā)生熱干擾現(xiàn)象，還能避免溫度在不斷的疊加，這樣也緩解了大地土壤溫度不斷急劇下降或升高的狀態(tài)。地源熱泵常年處于冷熱負荷較大的狀態(tài)運行，很容易造成熱平衡問題，熱平衡問題會引發(fā)“熱堆積”從而使大地土壤冷熱溫差不斷增大，給生態(tài)環(huán)境造成很大的影響。這樣的問題一直備受大家的重視，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明：各個生態(tài)環(huán)境的好壞都與各自周邊的大地熱流有著緊密的聯(lián)系，在大地熱流較高的區(qū)域生態(tài)環(huán)境就比較好，生態(tài)體系越完善，生態(tài)環(huán)境就越好。而在大地熱流較低的區(qū)域生態(tài)環(huán)境就比較差，大地熱流的高低直接影響一個區(qū)域的地表生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)能量的降低，會影響一個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，從而影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。地源熱泵系統(tǒng)會大地熱流的脈動，大地熱流的波動會影響一個地區(qū)的降水分布還有該地區(qū)的干濕程度。從而造成該地區(qū)的溫差逐漸變大，從而對地表的生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的影響。

2地源熱泵熱平衡的對策

2.1正確認識地源熱泵

首先要了解和正確認識地源熱泵的本質(zhì)，有些人往往會認為地源熱泵其實就是利淺層進行熱能交換來實現(xiàn)采暖空調(diào)目的的技術(shù)，是“取之不盡，用之不竭”的恒溫熱能。其實我們應(yīng)該把“恒溫帶”的熱能作為“蓄能體”，就是從地下提取多少熱能，就放出多少熱能，以此來保證熱源的平衡，這個已經(jīng)成為當前正確設(shè)計與使用系統(tǒng)唯一解決方法。解決土地熱失衡問題的關(guān)鍵。還有就是對冬季與夏季的負荷差距較大的區(qū)域，首先要考慮是否要加裝輔助冷熱源設(shè)備，以此來消除或減少地下埋管所放出的熱能，尤其是我國北方那些熱負荷大于冷負荷的區(qū)域，可以根據(jù)夏季的冷負荷來設(shè)計埋管深度與長度。來輔助對太陽能或鍋爐或太陽能作為補充的熱能。在我國南方那些冷負荷大于熱負荷的區(qū)域，就要按照冬季負荷來計算埋管深度與長度，來輔助對熱回收技術(shù)或者冷卻塔來減少地源熱系統(tǒng)對地下土壤的熱能的影響。

2.2減小地埋管換熱器

為了減小地源熱泵對地表淺層的影響，首先是要減小地埋管換熱器的密度，增加地埋管換熱器的布置面積，很容易受到實際情況限制，最近幾年出現(xiàn)的樁基埋管技術(shù)，在一定程度上可以解決埋管面積不足的情況就是把地下U型管換熱器深埋在建筑物混凝土樁基當中，從而使埋管面積擴大，也可以通過樁基和周邊的土地形成一種換熱，進而在減少其鉆孔與埋管的施工費用。最終配合樁基地埋管換熱器來減少占地面積。建筑樁基都有自己的不同構(gòu)造可以讓樁基與U型管緊密貼合，從而減少了他們之間的阻力，最終強化大地土壤的傳熱的功能。

3地源熱泵熱工程應(yīng)用

本文選取位于某地區(qū)寫字樓建筑的地源熱泵熱工程作為研究實例，首先要給寫字樓建筑在電腦上建立一個模型，按功能進行區(qū)域的劃分，然后按樓體的使用的類型進行劃分，然后依據(jù)該寫字樓的建筑圖為參照物，用DeST軟件建立建筑模型。然后依據(jù)各種數(shù)據(jù)參數(shù)進行參照對比，比如圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、室外設(shè)計參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)等，然后在電腦用清華大學DeST負荷模擬軟件進行模擬，可以按照該寫字樓建筑圖與空調(diào)設(shè)計參數(shù)，在DeST負荷模擬軟件建立一個建筑負荷模型，然后開始對該寫字樓進行全年空調(diào)逐時動態(tài)負荷模擬，最終得到該寫字樓全年的逐時負荷。從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一般的舒適性空調(diào)系統(tǒng)在實際運行過程中，在不需要供冷暖內(nèi)情況下，是不會在供熱季節(jié)出現(xiàn)制冷的情況，在過渡季節(jié)有時也要開啟機組來調(diào)節(jié)冷熱負荷。從全年逐時負荷的模擬結(jié)果來看，進行一個合理的修正可以讓模擬結(jié)果更加符合實際結(jié)果。最后還要遵循當?shù)卦瓌t，通過修正之后的負荷逐時圖，要對修正后的負荷逐時圖進行分析，發(fā)現(xiàn)在7、8月空調(diào)負荷最大，空調(diào)供暖期最大負荷出現(xiàn)在12月至2月。根據(jù)逐時負荷計算，該建筑的設(shè)計熱負荷小于設(shè)計冷負荷，這樣會造成空調(diào)設(shè)計負荷不能承受最大負荷，而導致不能連續(xù)工作，因此，在部分負荷狀態(tài)下了解系統(tǒng)運行特點對提高系統(tǒng)運行是非常有必要的。

4結(jié)束語

綜上所述，本文從地源熱泵熱平衡的問題以及地源熱泵運行對生態(tài)環(huán)境的影響分別進行闡述，并從熱平衡問題影響因素出發(fā)，以工程實例為依據(jù)進行一個有效的分析，最后在此基礎(chǔ)上提出了幾點完全建議，希望能為相關(guān)人士提供些許參考。