地埋管地源热泵系统热平衡论文

地埋管地源热泵系统的热平衡

【摘要】本文分析了土壤源热泵系统地下热平衡问题的由来及对土壤温度分布和生态环境的影响，分析说明了热平衡的重要性，并提出解决土壤源热泵系统地下热平衡问题的方案。

【关键词】土壤源热泵，地下热平衡，解决方案

中图分类号：q938.1+3 文献标识码：a 文章编号：

一.前言

近年来,以浅层土壤热能作为热泵冷热源的土壤源热泵技术得到了迅速发展，但相比地下水和地表水地源热泵系统其造价较高。土壤源热泵采用地埋管换热器内循环介质与土壤进行换热，不涉及自然水源的开采要求和污染问题，适用性更广，安全稳定性更高。地热换热器一般在一定区域内使用垂直单u或双u 型地热换热器采用密集布置方式，也可以利用建筑物本身的内部工程桩和灌注桩来进行密集的土壤换热器群布置。在这样不断增加的密集型垂直埋管式布置的地源热泵的使用规模使得土壤换热器埋管范围内的土壤热平衡问题关注度不断的上升。

二.关于地下热平衡的问题

1.冷热负荷差异

土壤源热泵依靠地热换热器（underground heat exchanger）主要的原理在于从地下提取温度差，热泵机组的热量的散失和收集都来源于半径内的土壤，因此，土壤热源泵系统就需要在运行过程中考虑到半径内的土壤中热量的收集和散失之间的平衡问题，这即通

常称谓的土壤源热泵热平衡问题。地下热平衡问题的根源是土壤热失衡，造成土壤热失衡的原因是我国大部分地区的建筑物全年的冷热负荷差异过大，土壤的取放热量不同。土壤热堆积问题存在久了，超出了土壤自身对热量的扩散能力，土壤渐渐偏离正常温度，使得热泵机组夏天的工作效率和制冷量大大降低。

土壤传热器的传热过程以土壤导热为主，同时包括了空气，地下水体等等，所以土壤的许多方面因素都会对传热过程产生一定的影响。土壤的热量一部分由地下水带走，一部分是由土壤热传导带走的，热量传输给了大地。，想让土壤保持热平衡，只要保持空调系统向地下的冷热不平衡差值不超出该地土壤原有散热速度就可以

做到。

2.设计问题

冬夏交替中的土壤源热泵在运行过程中，地下土壤作为能源的载体和传递的媒介，其温度的变化通常是由埋管附近沿径向方向向外层传递，单位钻孔的扩散体积和单位钻孔的热扩散半径对周围土壤的温度升降有较大的影响。

因为土壤本身能够存储能量，存储能量一定的时候，蓄能体积增大使得土壤平均温度的变化幅度降低。在合理的布孔间距下各个埋管之间不会相互造成热干扰，避免各自温度波叠加，同时能够较为有效的降低土壤温度的变化速度。另外，适当的增加埋管深度，可以降低单位钻孔深度负荷率，增加蓄能体的体积，也能在一定程度上解决热失衡问题。

许多情况下，为了节省占地面积而使得埋管布置过于密集，从而造成各个埋管之间热干扰，同时缩小了单位钻孔的热扩散半径以及蓄能体的体积，造成“热堆积”。

3.土壤热平衡的影响

（一）土壤热平衡问题的影响因素

在研究土壤热平衡问题的影响过程中，往往需要将其进行量化从而进行研究，但是这个量化的过程往往是非常困难的，使用的仿真软件往往不能很好的表现出实际的情况。土壤热平衡问题的根源在于季节变化导致的空调运行时间和复核的绝对值是很难控制的。因此对于土壤热平衡问题的项目就需要在实行过程中进行优化的管理和设计，只有保证能够确切的实施设计中重要的技术环节才能保证范围内的土壤热平衡。

（二）土壤温度变化的趋势

总所周知，土壤本身是热的不良导体，因此实际上土壤热的温度和热能量的传递实际上是由内而外逐次传递的。在任意时间点上的土壤热度主要是由此时土壤热由内到外的传递过程和季节周期性变化引发的温度变化的温度波动的周期角和相位叠加而成，在外部环境没有大的变化的前提下，我们其实可以得到结论是全年内以土壤热交换仪为中心的范围内温度的变化是由一定的规律性的，若是进行线性分析的话就可以得出是以年为周期的近似正弦曲线。

土壤热交换器的靠近土壤的交换壁周围的温度变化是最大的，但是在以其为中心的半径热量的交换是会出现迅速衰减的趋势的，原

因在于在实际的使用过程中土壤热交换器对于土壤温度的变化实际上是一种反向干扰的趋势，因为土壤热交换器在冬夏两季对于土壤热的取用是与其实际变化相反的，因此就拉大了土壤热的变化幅度。如图1模拟得到的某地的土壤逐月的均衡温度变化的情况，土壤换热器内的循环水的供应水温差为5℃时，土壤换热器近壁处年温度变化在4℃左右，离开壁面1米处年温度变化已经衰减为

0.9℃。

当夏季工况结束时，土壤换热器周围土壤温度场并没有马上进入恢复阶段，而是按照滞后的相位温度继续逐次升高，直至达到该处波峰，这个相位的延迟在远离土壤换热器壁面3 米的位置需要70天。这说明土壤自身的热扩散和热量的自动恢复能力是比较差的，原因在于土壤本身的热阻在土壤源热泵各项热阻中占的比重较大，随着半径的增加这个热阻的值会快速增加，这是土壤散热的最大难处，所以土壤热的平衡必须要依赖于季节变化带来的土壤的取放热量平衡。

进而也说明了土壤热的平衡是一种动态的平衡，由此我们知道土壤的热交换和季节是息息相关的。当夏季来临的时候土壤热源泵的交换效果是比较好的，但是随着时间的推迟，热交换的温度波动开始慢慢出现交叉影响的现象，此时土壤热交换器的交换效果开始出现下滑的趋势，土壤的温度开始逐渐上升。经过过度季节后，土壤的热量储存依然比较高，然后到达冬季，由于在夏季和过渡季的温梯度积累导致了冬季的开始热交换的效率是很高的，但是随着温度

的下降，冬季的热叫魂效率又会下降。

（三）地下热平衡问题对生态环境的影响

生态系统是指一定空间中的生物群落与环境组成的系统，其中各成员借助能量和物质循环形成一个有组织的功能复合体，任何一个子成员能量与物质的改变都会破坏原有生态系统的正常循环。热平衡问题所引起的热堆积而造成的土壤温度变化及其对生态环境带来的影响，一直没有受到重视。

有研究表明各地生态环境的优劣与区域大地热流有密切的关系，通常大地热流较高的地区生态体系发育较好，生态环境优越；而大地热流较低的地区生态环境比较恶劣。大地热流的高低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限（即温度下限），影响到区域生态系统的稳健性。

四.地下土壤热平衡的解决方案

1.正确认识土壤源热泵

对于土壤热源的泵的认识要基于对于土壤热源的正确认识上，因为在此之前我们大多是将土壤热认为是一种却之不尽用之不竭的能量，现在我们应该正确的认识到土壤热源。我们应该改变这种将土壤热当做一种“恒温体”的想法，应该讲土壤热当做一种“储能体”来看待，这样我们可以利用季节的变化带来的温度的变化来对土壤进行能量的存储和释放，只有这样才能保证土壤的恒温性。这将是未来对于土壤热的开发利用的趋势。这也逐渐会成为目前正确设计与使用系统，以解决地下热失衡问题的前提与关键。