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1、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GroundheatbalanceinGSHPByMaHongquan★andLongWeidingAbstract DiscussesthecauseandeffectofgroundheatbalanceinGSHP,andputsforwardthetechnicalco
2、nsiderationsforsolvingthisproblem.Basedontestdataofactualprojects,discussestheoptimizedsystemdesignfundamentalandoperationmode.Keywords GSHP,heatbalance,optimizationdesign★TongjiUniversity,Shanghai,China①0 引言地埋管地源热泵(ground2coupledheatpump)系统的研究和项目实施是我国地源热泵(gr
3、oundsourceheatpump)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(groundwaterheatpump)和地表水地源热泵(surfacewaterheatpump)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(groundheatexchanger)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
4、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
5、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
6、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①☆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
7、,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COP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
8、。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
