地源热泵系统优化分析

    近年来随着国家节能环保相关政策出台，新型能源系统应用获得极大发展，因其受资源限制因素少，应用地域广，节能效果显着等优势，已在工业和民用领域获得广泛应用。以地源热泵系统尤为突出，加之辅助系统的配合使用，使之成为替代传统能源系统的重要形式之一。

    地源热泵系统（GSHP）热源来自取之不尽用之不竭的浅层地表土壤。冬季通过室外地埋侧换热将大地中的低位热能提取出来，利用热泵将温度提高，用于建筑供暖，同时将冷量蓄存于土壤中，以备夏用。夏季通过室内末端将建筑内热量借助热泵转移至地下，实现建筑降温，同时蓄存热量与既存冷量形成动态平衡，充分发挥地下土壤蓄能作用，是一种维护环境绿色节能的系统形式。    我国北方地区气候类型主要为温带季风气候和温带大陆性气候，并且受高纬度及北半球的“寒极”影响，冬季寒冷，伴随环境变化，冬季土壤换热能力下降，采用合理措施保证系统稳定运行将是技术设计需要重点解决的问题。

    以下是平博·PINNACLE中国热能地源热泵研究人员关于地源热泵系统运行效果取决于室外地埋侧换热器的换热情况，通常其影响因素主要为土壤热平衡状况、自然环境条件、换热管内工作流体性质等的相关介绍。

    一、土壤热平衡状况

    土壤热平衡本质是动态的实时变化的，其过程中受诸多因素影响，如当地多年气候分布、土壤构成情况、地下水分布变化、冬夏负荷情况等均会改变当地土壤热量平衡分布曲线，当冬夏负荷相差大时曲线波动尤为明显。综合以上因素并结合GSHP自身特点，其适用地域为冬夏气候分明且负荷相当的地区，尤其适用于同时存在冬夏负荷需求的工程项目。    北方地区冬季寒冷供热负荷大于夏季供冷负荷，导致热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量，致使冷量积累土壤温度逐年降低，造成地源热泵机组蒸发器侧取热困难，蒸发温度供热量下降，同时压缩机耗电量提高，COP下降。通常，机组蒸发温度相对额定温度降低1℃，机组的制热功耗将增加3%。

    对于南方，地区夏季炎热空调冷负荷大于冬季供暖负荷，导致热泵向地下土壤的放热量大于冬季自土壤的吸热量，致使热量积累土壤温度逐年升高，造成地源热泵机组冷凝器侧放热困难，冷凝温度升高、制冷量下降，同时压缩机功率提高，EER下降。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。

    常见地埋管形式为水平埋管和垂直埋管，一般水平埋管埋深较浅，在地表15～20m区域内，此深度范围的土壤受室外自然环境影响显着，呈现年变化季节分布，通常夏季时土壤换热系数要高于冬季值，但相对垂直埋管系统的换热系数要低。垂直埋管埋深多在80～100m，土壤温度波动很小，基本恒定，可按照高于历年平均温度1.5℃计算，根据实际工程经验，当冬夏负荷相差较多时，很容易造成热量失衡，导致土壤换热效果变差，为保证系统稳定需要采取辅助系统，解决热量失衡问题，至此类似系统称为混合式地源热泵系统。    常用方法为太阳

    能集热器辅助加热（适用于北方地区，多用于提供生活热水）、冷却塔辅助散热（适用于南方地区）、电锅炉辅助加热（适用于小规模冬季极寒系统），混合式地源热泵系统建设初期投资成本增加，但与单独的GSHP相比，具有调节灵活和运行费降低等优点。

    二、土壤冻结对埋管换热器传热的影响

    在北方寒冷地区，地埋侧换热器内液体温度较低，在年极端天气情况下若周围土壤换热效果差甚至会出现冻结的危险，土壤换热受岩土类型、地下水分布、土壤常年温度分布、土壤含水率等诸多因素影响，其中土壤含水率对换热量影响较为直接。当土壤中由于换热导致水份冻结时，随着相态变化，有大量潜热放出，在换热量相同情况下，温度降低幅度小，可保证换热器周围土壤温度较高。反之，则土壤温度较低。由于工程的不确定性，即使选用先进测量仪器，受试验季节时间影响，也无法获得最准确的数值，若未能充分考虑土壤中水份冻结的影响，计算得出地下埋管周围的温度场偏低，且随含水率增大偏差越大，因此设计时应予以考虑。鉴于工程设计计算中多采用安全余量或保守的计算方式，对有关岩土冻结和其计算方法方面的研究有限，无论采用模型计算理论或经验估算方式，尽管在计算结果上存在差异，但可以肯定土壤冻结对地下埋管换热是有利的。    三、埋管内工作流体参数影响

    目前常用经软化的自来水作为地源热泵系统的工作流体，水是理想载热流体，适用工况多，热熔性好，气液相态区间温度可满足多种用途。在南方地区，土壤温度较高，换热管内水温在O～C以上，不存在冻结可能，无需考虑防冻。在北方地区，由于地下埋管进水温度较低，换热效果差将导致换热管内水的冻结危险，即使在最初设计中无具体说明，根据系统运行效果，一旦出现以上情况，需要及时添加防冻剂。选择防冻剂的原则为：使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。添加防冻剂后的介质动力粘度增大，使得流动状态维持难度加大。经计算在相同管径、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。紊流和层流为流体两种不同的两种流动状态，所谓临界状态即为Re（雷诺数）=2000时的流动情况。当Re（雷诺数）>2000时，为紊流，此状态下换热系数大效果好，由以上临界流速比可知，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，即运动阻力较大。

    地源热泵系统是目前发展较为完善的节能系统，在其发展过程中不断吸收完善新的技术，以适应越来越多工况环境要求，通常南方地区条件适宜对系统建设没有诸多限制因素，在寒冷北方地区，系统建设时要考虑地下土壤热平衡问题，冻结问题等因素，从保证换热器管内工作介质流态、换热效果、系统稳定性角度考虑，采取防冻液、辅助电加热、太阳能系统等措施，可有效提高系统运行效果，利于运行。    平博·PINNACLE中国热能由中国地质大学（武汉）组建，依托中国地质大学的学术优势，组建了一批由海内外学者组成的世界一流的交叉人才团队，聚集了十大优势学科领域十多位专家学者，定期研讨地热科学问题、问诊地热实际难题，在地（水）源热泵换热不够、冷热不均、填充不实、漏水、土壤温度过低、井深不够、水质不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等问题有着丰富的经验及客户案例。