严寒地区地源热泵冷堆积问题浅析
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摘要：对地源热泵系统做了简单的介绍，对地源热泵在运行过程中影响地温冷堆积的因素进行了分析，结合地域特点，并提出了解决冷堆积问题的技术思路。
Abstract: Ground-source heat pump system is introduced briefly in this paper, and the factors which have effect on the cold accumulation of Ground temperature during the operation of the GSHT are analyzed,furthermore, Technical ideas are presented to solve the problem ofcold accumulation by combining characteristics of region.
Keywords: Cold region；Ground source-heat pump；Cold accumulation； Heat exchanger
中图分类号：TB655文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1.地源热泵系统简介
地埋管地源热泵系统是利用地下岩土作为热源或热汇，它是由一组埋于地下的高强度塑料管（地埋管换热器）与热泵机组构成。在夏季，水或循环液通过管路进行循环，将热泵释放的热量排到地下岩土层；冬季循环介质将岩土层的热量提取出来经热泵释放给室内环境。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，效率大大提高，且又不受地下水资源的限制，根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。水平埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但缺点是占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。竖直地埋管换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地埋管换热器。由于竖直地埋管换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，因此已成为工程应用中的主导形式。竖直埋管的方式的钻孔直径通常为0.11－0.15m，深度40－150m；在钻孔中插入高密度聚乙烯(PE)的U型管，然后用回填材料把钻孔密封，再把各U型管连接成地埋管换热器。
冷堆积问题的提出
地源热泵系统对系统全年冷热负荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源热泵系统中地下岩土在全年起到蓄热器的作用，对热量夏蓄冬供。但在北方严寒地区，冬季供热的负荷和时间远大于夏季空调的负荷和时间，系统多年运行以后地下的平均温度将逐年降低，影响系统的性能甚至使系统失效。应该指出，在地埋管换热器所涉及的地层中存在地下水渗流时，对消除或缓解地埋管换热器中由于冷热负荷不平衡而引起的冷量或热量的累积有一定的帮助。但现有的数学模型和分析还只能对这一现象提供定性的判断，由于在实际工程中很难得到现场比较可靠的水文地质资料，特别是地下水渗流定量的资料，因此现在还难以给出地下水渗流对缓解地下冷量或热量累积的定量的结论。
曾有学者对在沈阳地区运行的地源热泵系统冬夏季取排热量进行了模拟，测试的地层结构为泥岩，共3个孔，孔深100m，孔径为150mm，1号孔距2号孔为5m，2号孔距3号孔5米，3号孔距1号孔为6m，3个孔的相对位置见图1：
图1三个测试孔的相对位置图
以三个孔的换热同时运行，对冬夏季取排热量进行模拟，得出结论如下：初始阶段每个换热孔的取排热量还算正常，随着运行时间的增加，换热器的热作用范围开始重叠，造成这一现象的原因就是地层散热慢，由热泵系统排入地下的冷热量不能尽快地扩散。随着时间的增加，严重时整个热泵系统由于冷堆积而无法运行。
造成地源热泵冷堆积影响因素分析
建筑负荷差异是土壤热失衡问题出现的根源。而土壤热平衡过程亦复杂多变，空调逐时负荷输入造成热量通过地埋管换热器内的强制对流传递给土壤，土壤又以自然方式向四周扩散使其自身温度缓慢趋于初始值。而对于东北地区，冬夏季冷热负荷相差过大，造成冷堆积。
地温的恢复特性也是影响热平衡的一个因素。地温的恢复特性主要取决于地层结构的特性、管群布置形式、系统运行情况、冷热负荷不平衡率等。特别是地层结构的影响更为明显，若地层结构为赋水性较好的第四系，这样的土层换热性能好，由热泵排入土壤的冷量会随着换热器周围流动的地下水很快的散失掉，这样的地层结构，冷堆积的现象就不会出现，而地层结构为泥岩，换热系数小，性能差的地层，冷堆积现象比较严重。因此，在解决地缘热泵热平衡问题时，应该结合具体情况综合考虑各方面因素，设计出合理的系统方案，实现地源热泵系统经济节能运行的目的。
冷堆积问题的解决方法
要发挥地源热泵作为新的、节能高效的冷热源优势，就要解决地源热泵存在的冷堆积问题。
针对东北地区建筑冷热负荷不平衡的问题，可以通过设置冷量回收、辅助热源等措施实现。
冷量回收，利用地层具备蓄能的特性，在夏初的时候，无需开启热泵机组，可以实现由土壤换热器直接制冷，实现冬储夏用，从而降低系统的运行费用。
辅助热源，冬季考虑辅以锅炉或者太阳能集热器来平衡埋管换热器需要多向土壤吸取的热量。从而解决冷堆积的问题。另外，辅助设施的选择可以根据当地的实际情况，充分利用有利条件，因地制宜。比如洗浴用过的废水、废热，我们都可以用来考虑平衡地温的不平衡。
地温的恢复性造成的冷堆积问题，应该从地温的恢复性造成影响的因素地层结构的特性、管群布置形式、系统运行情况等方面来考虑。
地层结构的特性是不可改变的，在做地源热泵系统之前，需要对该地区的地层结构进行检测，如果是土壤换热性能差的岩层，我们可以使用不同的填料，提高土壤的换热性能。
管群的布置形式，近年来新出现的桩基埋管可以在一定程度上解决埋管面积不足的问题，即把地下U 型管换热器埋于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，充分利用建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热，从而减少了钻孔和埋管的费用。配合采用桩基地埋管换热器将大幅缩小占地面积。由于建筑物桩基的自有特点，使U 型管与桩、桩与大地接触紧密，减少接触热阻，强化了循环工质与大地土壤的传热。
而系统的运行方式可以采用系统调峰措施。将土壤温升控制在一定范围内并获得较好的经济性,但合理的调峰比例需要根据空调负荷情况作技术经济分析确定。采用辅助热源与地埋换热器并用的调峰形式。
结束语
目前地源热泵系统在东北寒冷地区所遇到的瓶颈之一便是冷堆积的问题，有效的解决冷堆积问题才能保证地源热泵系统的效率和长期稳定运行。冷堆积还还危害到周围生态环境，地层结构性能，特别是现在地源热泵系统也在逐步引入到农业生产中，必须考虑到热平衡问题引起土壤温度变化后对农业生态系统的影响。因此，寒冷地区地源热泵系统冷堆积的解决迫在眉睫。
上面已经分析了造成土壤热失衡的原因以及提出了方向性的技术思路。但是由于现在所运行的地源热泵系统年限尚短，分析并不能考虑到方方面面的因素，因此在寒冷地区做地源热泵系统时，需要把众多因素综合考虑，设计出合理的热平衡方案。
辅助热源可以很好的解决寒冷地区土壤冷堆积的问题，目前研究多集中在辅助加热装置的容量和地下埋管大小的优化配置，加热系统运行特性模拟及实验研究，混合系统运行能耗及经济性分析研究。另外，有效的土壤温度检测和调节控制系统、规范化运行管理也很关键。
因此，在正式设计前，土壤换热器的测试工作必不可少。在条件允许的情况下，建议对开孔区域进行地温场长期监测，以了解区域地温场的动态变化趋势，对已投入运行的地源热泵系统防患于未然，更为以后的地源热泵系统研究提供科学的数据。
参考文献：
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[3] 赵军,王华军.密集型桩埋换热器管群周围土壤换热特性的数值模拟[J].暖通空调,2006；