国内土壤热失衡的几种常见情况分析及解决方法

  国内的地埋管地源热泵运行时间都不很长, 其持久运行情况还有待观察。从目前运行中暴露出来的问题来看, 运行中的土壤热失衡主要可以分为以下几种情况:

 

  1) 出现最多的情况是为了节省地埋管地源热泵系统的初投资, 地埋管换热器数量布置过少, 从而引起空调季持久运行特性变差。市场中恶性竞争引起的价格战助长了这种行为的蔓延, 应该引起足够重视。

 

  2) 另外一种出现较多的情况是由于可供地埋管换热器布置的面积较小, 从而减小了地埋管换热器间距, 使得单个地埋管换热器的扩散半径减小,降低了持久运行特性。

 

  3) 热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹配, 造成局部土壤温升过高。

 

  4) 复合式系统管理运行不当。因为操作人员嫌麻烦, 空调季随着负荷增长不及时甚至完全不开启调峰设施, 或经常在空调负荷不大时只开调峰设施而不运行地埋管地源热泵系统, 都将影响调峰设施的冷热平衡功能, 导致系统冬夏季节取放热量不平衡率大于设计值, 土壤出现热堆积。这这种情况在一些大项目中已出现较多且没有引起足够的重视。

 

  5) 运行管理不完善, 造成不必要的运行困难。

 

  有些操作人员在部分负荷时间只开启部分热泵机组, 但不关闭其余热泵机组的阀门, 导致运行中机组的冷却水流量因为分流而过小, 从而冷却水温升过高。这种问题其实不属于土壤热平衡问题, 完全可以通过改进运行管理来方便地解决。

 

  5 土壤热失衡的解决方法地埋管地源热泵的热失衡问题并不是技术上的难题, 完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。解决的方法在于减小地埋管换热器群的密集度和冷热负荷的不平衡率, 前者可以通过增大地埋管换热器布置的间距、减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行, 而后者可以通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施实现。相比较而言, 减小地埋管换热器群的密集度需要增加地埋管换热器布置面积, 因而其实施受实际情况限制, 但对于系统持久安全运行更有用。采用系统调峰等措施可以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。

 

  目前地埋管换热器制冷和制热的出力一般按照持续稳定24h后的土壤热特性测试结果作为参考依据进行设计,虽然这些测试数值考虑了系统连续运行后的效率下降, 但不能反映地埋管换热器组群之间的互相影响, 因此实际使用当中要进行修正。有调峰的复合式系统的整体经济性更好, 因此条件具备时应该优先考虑作为解决土壤热失衡的主要措施。但是应该注意调峰系统同时也提高了剩余地埋管换热器的使用频率, 因此调峰后土壤承担的冬夏负荷不宜相差过大。利用带热回收功能的地埋管地源热泵机组提供生活热水, 在冬季增加了地埋管地源热泵系统的取热负荷, 在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热, 在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热, 这对缓解土壤热失衡非常有益, 同时也可以提供廉价的生活热水, 对有生活热水需要的项目也是非常适合的一个技术手段。

 

  此外, 条件适合时还可以采用以下技术手段缓解土壤热失衡问题:

 

  1) 将地埋管换热器与热泵机组对应设置成多个回路, 轮流使用, 部分负荷时优先使用地埋管换热器布置的周边回路, 以延长地埋管换热器的温度自然恢复时间, 避免中心局部过热。

 

  2) 在地埋管换热器布置场地中心位置布置温度传感器, 对空调季土壤温度进行实时检测, 当土壤温升超过规定数值后, 启动调峰系统运行。条件合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统, 以确保地埋管地源热泵系统处于较好的控制和调节状态。

 

  3) 地埋管地源热泵即使不采用复合式系统, 也可以预留冷却塔位置和接口, 以保证如果持续运行出现土壤温升超出控制范围, 启动冷却塔辅助冷却。

 

  4) 对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统, 或者在空调不运行的夜间将冷却塔和地埋管换热器串联使用以冷却地下土壤, 可以很好地解决热失衡问题, 并不影响系统经济性。由于地埋管地源热泵系统在夏热冬冷地区的主要节能优势在冬季, 在夏季, 常规冷水机组的效率提升并不明显, 因此在夏季灵活启动冷却塔并不降低系统的效率和经济性,但可以很好地改善土壤热失衡状况。

 

  结论：1 我国的地埋管地源热泵运行时间不长, 尚未暴露出土壤热失衡的严重后果。但鉴于我国快速发展的地埋管地源热泵市场和高度密集的竖直埋管方式,土壤热失衡问题必须引起足够重视,没有土壤热平衡方案的地埋管地源热泵系统持续运行数年后存在出现效率下降和持续运行效果变差的巨大风险。

 

  2 土壤热失衡问题影响因素众多, 量化分析和数值模拟均较为困难,但最主要的两个影响因素是单位地埋管换热器钻孔深度年运行热净差和地埋管换热器的布置间距。因此改善地埋管换热器热平衡状况的主要方向是通过优化设计减小空调系统冬夏累计负荷差异, 同时适当增加地埋管换热器的间距和深度, 然后在运行中依靠复合式系统的调节管理保证系统保持长期稳定运行。

 

  3 采用复合式系统是解决土壤热失衡问题的较好途径, 根据系统构成制定地埋管换热器的全年取放热平衡方案, 有助于从根本上减少出现土壤热失衡, 而设置有效的土壤温度检测系统和相应的调节控制系统是实现这一措施的关键。

 

  4 应当注重和加强对地埋管地源热泵系统的运行管理。地埋管地源热泵系统运行管理不善会引起甚至放大土壤冬夏取放热量的不平衡率, 而且可能使系统设计时所采取的热平衡措施失效, 这也是目前实际中出现问题较多的薄弱环节。建议以后对较大的地埋管地源热泵系统制定具体的全年运行模式和规范化运行管理规定, 并对操作人员进行相关培训, 以减少不必要的系统效率下降。