浅议土壤源热泵系统维持土壤热平衡的可行方法

浅议土壤源热泵系统维持土壤热平衡的可行方法

黄红艳,  ,朱鹏

长沙格力暖通制冷设备有限公司      湖南长沙   410600

摘要：土壤源热泵系统是一种充分利用较低品位热能的再生能源技术，因其运行费用较低，且可在我国大部分地区建设，是一种兼具高效节能性与环保性的空调系统，在我国应用速度不断加快。本文首先介绍土壤源热泵系统设计要点，着重分析导致土壤源热泵系统土壤热不平衡的原因，并对此提出了几种维持热平衡的可行方案。

关键词：中央空调；热泵系统；土壤源热泵；土壤热平衡

A feasible method for maintaining soil heat balance in soil source heat pump system is briefly discussed

HuangHongyan   ZhuPeng

Changsha Gree HVAC Equipment Co． ，Ltd. ，Changsha，Hunan 410600

Abstract: The soil source heat pump system is a kind of renewable energy technology that makes full use of low grade heat energy. Due to its low operation cost, it can be built in most areas of China. It is an air conditioning system with high efficiency, energy saving and environmental protection. This paper first introduces the key points of the design of the ground source heat pump system, emphatically analyzes the cause of soil thermal imbalance in the ground source heat pump system, and puts forward several feasible schemes to maintain the heat balance.

Key words: central air conditioning; Heat pump system; Soil source heat pump; Soil thermal equilibrium

热泵空调系统是消耗较少能源将低品位热能转换为高品位热能，以逆循环方式进行热交换的空调系统。土壤源热泵系统是利用地下土壤温度的稳定性，地表10米以下的土壤温度全年保持在12℃-20℃的恒温，相对于地上温度变化幅度小这一特性而设计出的空调系统[1]。因其良好的节能和环保性，在夏热冬冷地区的工程实践中使用得越来越多。但工程实践中土壤源热泵的设计过程相较于常规中央空调系统要复杂，作为一种较新形式的空调系统还有很多需要改善的地方。

1、导致土壤热不平衡的原因

土壤热失衡的主要原因是土壤的特殊热物性，单位体积土壤的比热容较小，热传导性较差，长时间地使土壤吸放热不平衡，就会出现土壤热失衡现象。通过对实际工程的分析，导致土壤热不平衡的原因主要有以下几方面：

（1）建筑负荷计算不精确。土壤源热泵空调系统的负荷计算需进行全年动态计算，区别于常规中央空调系统设计中负荷计算所使用负荷指标法或日逐时累计最大值法。必须委托专业机构或使用专业软件进行精确计算。负荷计算的结果直接关系到后期平衡向土壤吸、放热量的方案确定。

（2）地埋管设计不科学。地埋管作为关键地下换热装置承担着换热介质与冷热源之间换热的作用，直接关系着土壤吸、放热量的大小。在进行地埋管设计之前应在工程所在地实地勘探，进行方案可行性及经济性评估[2]。勘探时打井数目以3～5个为宜，具体个数宜根据工程总占地面积确定。

（3）未按施工要求进行施工。这方面主要体现在地埋管施工方面，地埋管的埋地长度、井口尺寸、回填材料的选择、冷媒选择及冷媒添加剂的选择都影响到与土壤的换热效果，在设计阶段都需要设计师进行计算，在施工中需要严格遵守施工图纸和施工说明作业施工。

（4）未按设计要求使用空调。为保持系统的可持续运行，设计师会采取措施以平衡土壤热量，如复合土壤源热泵系统要求按照设计说明及时开启、关闭辅助换热系统，调节向土壤释热量和吸热量大小。

2、维持土壤热平衡可行方案

土壤源热泵系统是通过热泵机组连接室内与浅层土壤进行换热的，换热量计算公式如式2.1、式2.2所示：

     （2.1）

     （2.2）

式中：

为夏季向土壤排放的热量；

为空调系统夏季设计总冷负荷；

为冬季向土壤吸收的热量；

为空调系统冬季设计总热负荷。

显然，即使是典型的夏热冬冷地区，冬夏负荷差也是较大的，在目前技术条件下无法通过机组选型来弥补，不经特殊处理仅使用传统土壤源热泵系统是无法做到土壤热平衡的。目前为止，这一问题的最佳解决途径是使用复合式土壤源热泵系统（HGSHPS），该系统改善了土壤源热泵系统的性能，减少了埋地盘管换热器的初投资，具有较好的推广前景[3]。复合式土壤源热泵系统可分为以下两个大类：一是按较小的吸热量进行土壤源热泵空调系统设计，夏季无法满足的热负荷部分用辅助设备供给；二是按较大的释热量进行土壤源热泵空调系统设计，再联合其它系统调控平衡吸热量与释热量。具体提出如下三种方案：

方案一：土壤源热泵系统与冷水机组复合系统。该系统由地埋管、热泵机组、冷水机组及冷却塔组成，普遍适用于各夏热冬冷地区。按吸热量选型进行系统设计，冬季建筑所需热量全部由土壤源热泵系统供给，夏季所需冷量由土壤源热泵和冷水机组联合提供[4]。中央空调系统使用水作为载冷剂且辅助制冷设备仅于夏季开启，该方案中不需要使用板式换热器，在保证换热效率的同时也具备经济性。

方案二：土壤源热泵系统联合冷却塔的复合系统。该方案由地埋管、热泵机组与冷却塔组成。室内冷热负荷全由土壤源热泵系统提供。该方案冷却塔独立运行，仅在夏季开启，夏季室内冷负荷由地埋管和冷却塔共同承担，可较理想地削减对土壤的释热量。且仅需在原有空调水系统基础上增加冷却塔，管路布置简单、符合经济性，但对要求机房或建筑有足够空地布置冷却塔。

方案三：土壤源热泵系统联合生活热水的复合系统。该系统由地埋管、热泵机组、板式换热器及生活热水设备组成。热泵机组按最大释热量选型，夏季多出向土壤释放的热量通过热泵机组在冬季制备热水等措施维持土壤热平衡。该方案适用于冬季对生活热水有较大需求的建筑，一般为酒店或高档公寓等建筑。使用该种方案在维持土壤热平衡的同时也能在冬季节省加热生活热水的费用。局限性在于建筑在冬季对热水的需求必须量大且稳定。

3、运行策略推荐

维持土壤热平衡除需注意地埋管侧设计之外，开启辅助换热设备依据的不同也会对土壤热平衡产生影响。以下对控制策略的讨论均在不考虑投资经济性的情况下进行，在实际工程中需综合各方面因素确定运行策略。

对于方案一，由于冷水机组与土壤源热泵机组的复合系统在我国有较多的大型工程实验，有多过多次的实测数据和仿真模拟实验。经分析，地埋管进水温度的变化和地缘热泵机组承担的负荷有十分密切的关系，短期的降低土壤源热泵负荷或是机组停机间歇有利于土壤温度的恢复，改善下一阶段的土壤换热状况。研究表明[5]，在夏季单一优先运行冷水机组或单一优先运行土壤源热泵机组都不利于维持土壤热平衡，土壤多年运行后温度变化较大，不利于系统的稳定性；目前为止最优运行策略是：在夏季高负荷时段以土壤源热泵机组优先制冷，在冷负荷较低的夜间时段土壤源热泵间歇运行方案为最佳策略。

对于方案二，该种复合式土壤源热泵系统由于系统简单，经济性相对优于方案一，是一种出现得较早的复合形式，对于该种系统的研究较多，也是最为成熟的一种方案。模拟运行及实际工程数据测量证明[6]，在不考虑经济性的情况下，目前该种系统的最优运行策略为地埋管换热器与冷却塔并联连接，当地埋管侧无法承担夏季某时段负荷时，开启冷却塔及对应循环水泵，冷却塔的选型应可单独满足夏季设计冷负荷。温差控制，即监控热泵进口流体温度与周围环境湿球温度之差，当差值超过某一设定值时开启冷却塔及配套循环水泵辅助散热，这一运行控制策略为最佳，具体设定温差值应根据工程所在地的特定地质环境决定。

4、结语

土壤源热泵系统是一种较新的空调形式，有较大的发展空间。该系统的局限性即如何维持土壤热平衡这一问题可通过布置复合式系统来解决，具体的复合形式应根据建筑的功用、对室内环境的要求、工程预计投资大小以及工程所在地的地质环境来综合考量。土壤源热泵系统是一种利用新型能源环境友好型空调系统，且相较于普通中央空调系统该种形式的空调运行成本较低，在未来必将有巨大的发展空间及良好的发展前景。

参考文献

[1] 徐伊萌. 地源热泵系统的应用与展望 [J]. 山西建筑. 2018 (06) 

[2] GB50366-2009, 地源热泵系统工程技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[3]金光,王正文,吴晅,等. 混合式土壤源热泵系统的研究现状及展望[J]. 流体机械. 2016 (02)

[4] 花莉,范蕊,潘毅群,高岩等,基于热平衡的复合式地埋管地源热泵系统运行策略[J]. 暖通空调. 2013 (12)

[5] 武佳琛,张旭,周翔,刘海霞. 基于运行策略的某复合式地源热泵系统运行优化分析 [J]. 制冷学报. 2014 (02)

[6] 李营,由世俊,张欢,等. 冷却塔复合式地源热泵系统的运行策略研究 [J]. 太阳能学报. 2017 (06)

作者简介：黄红艳（1986-），湖北荆州人，专科学历，中级机械工程师（机械制造自动化），主要从事智能制造、绿色制造研究，任职于长沙格力暖通制冷设备有限公司（邮编：410600）。