地源热泵在北方地区使用应注意哪些问题

  北方冬季供暖的需求较大，那么如何利用水地源热泵中央空调进行供暖呢，本文仅对北方寒冷地区应用地源热泵的有关问题做一些讨论，仅供参考。

 

  一 地下土壤的热平衡问题

 

  因地源热泵（GSHP）的自身特点而有其适用的最佳地域范围，即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。在寒冷地区由于其冬季供热负荷大于夏季供冷负荷，造成热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量，致使土壤温度有可能逐渐降低，造成冬季使用时地源热泵机组的蒸气温度降低，致使系统供热量下降，耗功率上升，供热系数COP降低，一般情况下，土壤温度降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3—4％。同理，对于南方地区，由于夏季空调冷负荷大于冬季供暖负荷，可能造成地下土壤的温度越来越高，造成机组的冷凝温度提高，致使制冷量减少，耗功率上升。因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。

 

  对于水平埋管的地源热泵，由于水平管埋深浅，可以与地面进行充分地热交换，因此不存在地下土壤的热平衡问题。对于垂直埋管，一般埋深大多数30—100m，此时与地面及附近土壤的热交换量较小，根据实测和理论计算，建议冬夏向土壤的吸排热量平衡差不大于20％为好。如果热平衡性相差较大，可以采取辅助加热(或冷却)方式，有的把这种带有辅助加热(或冷却)的系统称为混合式地源热泵系统。对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区，最常用的方法是采用带有太阳能集热器辅助加热的太阳能—地源热泵系统。对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区，最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统。上述两种热泵系统在一定的气候地区，与单独的GSHP相比，一般具有节省投资和降低运行费等优点。

 

  太阳能—地源热泵系统可通过阀门的控制来实现太阳能直接供暖，太阳能热泵供暖，地源热泵供暖及太阳能集热器集热土壤蓄热的运行流程等。冬季采暖时，以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户，同时，在土壤蓄存部分冷量以备夏季空调用。夏季与过渡季节，太阳能集热器主要用于提供生活用热水。

 

  二 土壤冻结对埋管换热器传热的影响

 

  在北方寒冷地区，冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在0℃以下，换热器周围含湿量的土壤可能冻结。根据定性分析，水份冻结时，有大量的潜热被释放出来，因此在吸收同等数量的热量情况下，土壤降低的温度幅度小，水份越多，释放的潜热越多，温度降低幅度越小，在邻近换热器埋管的土壤温度越高。如果设计中不考虑土壤中水份冻结的影响，计算出的地下埋管周围的温度场偏低与实际情况偏差较大，水份越多，差别越大，因此设计中应考虑水份冻结的影响。但目前有关岩土冻结和其计算方法方面的研究文献不多，但可以肯定土壤冻结对地下埋管换热是有利的。有的文献提出在长期连续运行时，如不考虑冻结的影响，换热器尺寸要比实际偏大31％。有的采用简化方法，把埋管与周围土壤换热过程按未结冻和冻结两种模型计算，冻结时按冻结区的当量导热系数、比热和密度及末冻结时的导热系数、比热和密度分别建立盘管内流体能量方程、盘管壁的能量方程、土壤冻结时的能量方程、土壤末冻结时的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到冻结时和末冻结时的土壤温度场分布情况。考虑冻结时的土壤温度均高于未考虑冻结时的温度，而且含水量越高，温度差别越大。

 

  三 埋管内工作流体

 

  在南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，一般均使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：

 

  ①盐类溶液有氯化钙和氧化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

 

  经对水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)进行计算，计算结果如下。

 

  3.1 最小管内流速(流量)

 

  按文献临界雷诺数Rek＝2000，Re>2000为紊流，Re<2000为层流。由 和 的计算公式，求出上述三种流体不同管径下的最小流速，即最小流量。计算结果为在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl和乙二醇水溶液时，为保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。

 

  3.2 不同流体管内换热系数 (W／m2?K)计算

 

  采用文献[4]计算公式，其计算结果为在相同流速、相同管径下，水的换热系数最大。其大小排序为水－CaCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值与管径和流速有关，在常用管径及流速范围内，大小比值为1：0.47～0.62：0.41～0.56。

 

  3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)计算

 

  由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑(过渡)区内，即2100<Re<105。在此范围内，根据文献[3]的hf及沿程阻力系数λ的计算公式，计算结果为在相同管径、相同流量下，CaCl水溶液的hf的水的1.44倍；乙二醇水溶液的hf为水的1.28倍。

 

  寒冷地区应用地源热泵技术应考虑地下土壤的热平衡问题，采用太阳能辅助加热的系统是优先的选择。土壤冻结对埋管换热器的传热有利，设计中应考虑此影响。埋管内工作流体应采用不冻液，由于不冻液的热物性参数变化，其埋管内最小流速，流体管内换热系数、流体阻力均与水有很大的不同，设计中应充分注意