蓄能技术在土壤源热泵热失衡问题中的应用.pdf

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1、第38卷第4期化工机械393蓄能技术在土壤源热泵热失衡问题中的应用曹孜孜+蒋绿林刘卫火(常州大学机械与能源工程学院)摘要分析了土壤源热泵系统在实际使用过程中常出现的热失衡问题，避开传统的辅助能源(冷却塔和锅炉等)的办法，提出了解决该问题的新技术思路——蓄能技术，实施能量蓄存，达到能量的补充和再利用的目的，减轻能量失衡带来的影响，降低了因辅助设备而增加的系统初投资和运行费用，为土壤源热泵系统更广泛地应用提供了有效途径。关键词地源热泵蓄能技术热失衡辅助能源中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254—6094(2011)04一0393J04土壤源热泵系统是一项跨环境、水文地质、工

2、程地质、钻探、热质交换以及暖通空调等多专业的绿色新能源技术，具有环保节能、安全稳定、运行费低及可靠性高等优点，近年来得到了迅速发展与广泛应用。它虽不存在水位下降、地面下降和回灌等问题，但在实际应用过程中却会引起土壤温度的变化，出现热失衡现象，使整个系统性能降低。笔者对热失衡问题进行全面分析，探讨新的解决方案。1土壤源热泵及存在的问题土壤源热泵系统利用大地(地表之下20m)恒温这一特性，在投入少量的高品位能的基础上。通过埋地换热器与大地进行冷热交换，实现供冷供热的目的。夏季，热泵将建筑物内的热量取出，通过埋管系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用；冬季，埋管内的介质将地下的热量取出，然后

3、通过热泵主机和室内系统给建筑物供暖，同时蓄存冷量，以备夏用。其中，地埋管换热器布置方式又可分为水平与竖直的两种。水平地埋管换热器通常埋地l一2m，由于埋深较浅，可以和地面进行充分的热交换，因此，几乎不存在地下土壤的热平衡问题，但是占地面积较大，使用受到了限制。竖直埋管换热器通常埋深在30—100m，其热交换对象是深层土壤，而深层土壤不可能与地表环境进行充分的热交换，就容易使得土壤出现取、放热不平衡⋯，这一特点决定了该项技术适用于冷热负荷相当的地区。如果一年中，夏季向大地排放的热量等于冬季从地下取出的热量，则大地收支平衡，长期运行土壤温度也不会有大的改变。但如果地下换热器的取、放热不平

4、衡，多余的热量(冷量)就会在地下慢慢堆积，逐渐超过土壤自身对热量的扩散能力，最终引起地下年平均温度的上升(降低)，影响地热器的换热性能，使整个系统的效率降低，并对周围生态环境产生一定的影响，这就是所谓的热失衡问题。通常情况下，土壤温度上升(降低)1℃，会使制取同样冷量的能耗增加3％一4％[2

5、。土壤热失衡不仅要考虑冬夏季冷热负荷的比率，还需从地埋管换热器的间距、系统构成以及实际运行情况等方面分析，从目前运行中出现的热失衡问题来看，主要有以下几种情况"1：a．为了节省初投资，减少地埋管换热器的数量分布，从而引起持久运行特性变差；b．由于可供地埋换热器布置的面积较小，从而减小了地埋管换热

6、器间距，使得单个地埋管换热器的扩散半径减小，降低了持久运行特性；c．热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹·曹孜孜，女，1986年7月生，硕士研究生。江苏省常州市，213016。394化工机械2011年配，造成局部土壤温升过高；d．复合式系统管理运行不当，影响调峰设施的冷热平衡功能，导致系统冬夏季节取放热不平衡率大于设计值，土壤出现热堆积。2土壤热失衡的解决方法由于季节性热平衡与普通热平衡不同，要实现100％的相等几乎是不可能的。通过长期的试验研究及数据分析认为，只要是系统冬夏季的取、放热量相差在20％以内，均认为达到季节性平衡，在此范围内，由于系统吸热、排热而对大地温度场造成的年改变可

7、通过土壤的蓄热、传热以及热衰减等加以恢复。倘若大于20％，可以采用带有热回收功能的地源热泵机组、系统间歇性运行的方式以及合理的混合式地源热泵系统缓解热失衡问题。带热回收功能的地源热泵机组，在冬季增加了地埋管地源热泵系统的取热负荷，在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热，在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热，这对缓解土壤热失衡非常有益，同时也可以提供廉价的生活热水，对有生活热水需要的项目也是非常合适的一个技术手段。地源热泵若采用间歇运行方式，室内无人时停机，缩短了热泵系统的运行时间，降低了不必要的电能消耗，降低了供热或制冷的总量，减轻了土壤的负担。在热泵

8、系统停机时，土壤温度可以在一定程度上恢复，有利于再次开机时的传热工况。但更多的还是采用合理的混合式土壤源热泵系统，并采用良好的控制策略，这样能更大限度地发挥地源热泵系统高效节能、环保的优点，从而延长系统的使用寿命。目前，比较常见的混合系统主要有两种形式：一种是带有冷却塔辅助散热的冷却塔一地源热泵系统，主要适用于以冷负荷为主的南方地区；一种是采用锅炉为辅助热源或是带有太阳能集热器辅助加热的太阳能一地源热泵系统，主要适用于以热负荷为主的北方气候地区。虽然通过能