1、热平衡问题及解决方法,土壤热平衡问题的由来 土壤热平衡问题 土壤热失衡的特征 国内土壤热失衡的几种常见情况 土壤热失衡的解决方法,1. 土壤热平衡问题的由来,地埋管地源热泵系统的研究和项目实施是我国地源热泵系统三种形式中开始最晚的一种，其造价和运行费用相对也较高。 地埋管地源热泵系统适用性更广、没有对自然水源的开采和污染的担心、发展迅速。 我国的地埋管地源热泵系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公建筑，地埋管换热器一般采用在一定区域内密集布置的竖直单U 甚至双U 形地埋管换热器群，近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置地埋管换热器群的新方式。 这些密集型竖直埋管的方式带来了
2、技术上的隐患,那就是地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡问题。,2 土壤热平衡问题,地埋管地源热泵依靠地埋管换热器从地下土壤中提取能量，虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤，但地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量一般并不一致，这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成其温度不断偏离初始温度，并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降，这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。,如果地埋管地源热泵系统承担全部空调负荷，大多数情况下其全年的取放热量不平衡，在我国部分地区可能表现为散热量多于取热量。 这主要是由于供冷季、供暖季持续时间和负荷强度有明
3、显差异，而且夏季土壤还要承担制冷机组和水泵等设备散热造成的。 地埋管地源热泵周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果，都对系统持续稳定运行不利。,3 土壤热失衡的特征,3. 1 土壤热平衡的时间尺度 夏季刚开始运行时, 散热效果是比较好的；但如果持续运行, 温度增加, 系统效率下降的情况；此时土壤温度将继续上升,此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。 土壤热失衡问题与地埋管地源热泵的运行过程紧密相关,但是它所针对的并不是系统某个夏季运行中的土壤温升或冬季运行中的土壤温降,而是运行一个周期年之后土壤温度与初始土壤温度的变化,以及连续运行多年后土壤热堆积对系统运行特性的影响。
4、 因此，分析土壤热失衡问题的时间尺度应该是系统寿命周期内以a (年) 为单位的离散点。1 a 的土壤累计温升可能只是1 的量级，对热泵机组和系统效率影响不大,但是如果处理不当，5 a 或10 a 后的温升就会较高，造成系统运行情况明显恶化。,3. 2 土壤热失衡问题的影响因素排除地埋管换热器换热效果的影响,土壤热失衡问题应从冬夏空调负荷情况、地埋管换热器的间距、地埋管换热器系统构成和实际运行情况几方面进行分析。 空调负荷差异是土壤热失衡问题出现的根源,但是对于具体项目这是确定的和难以改变的,而系统构成和间距则在设计中可以调整和优化,后期运行管理是落实设计中技术措施的关键环节。 设计合理的系统如
5、果管理运行不当,也会造成全年热失衡或季节局部土壤热平衡不利,因此地埋管地源热泵的热失衡问题应该主要通过优化设计和规范管理来共同解决。后期改造。,4 国内土壤热失衡的几种常见情况,出现最多的情况是地埋管换热器数量布置过少 另外一种出现较多的情况是减小了地埋管换热器间距 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 复合式系统管理运行不当。,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：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
6、荷等措施进行 冷热负荷的不平衡率：可以采用混合形式，通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术等措施实现。,利用带热回收功能的地埋管地源热泵机组 地下埋管按夏季工况设计 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。,冷却塔调节（图）冷却塔作为辅助冷却方式，与地埋管系统同时承担夏季主机冷却功能 地下埋管按冬季工况设计，夏季尖峰负荷采用冷却塔补充 负荷较小时只使用土壤换热器，土壤换热器满足不了负荷需求时开启冷却塔 在运
7、行过程中通过控制冷却塔的开启时间来平衡系统向地下排热量与取热量。,单冷机组,冷 却 塔,用户,太阳能调节1（图） 太阳能作为辅助加热方式，与地埋管系统同时承担冬季主机供热功能 地下埋管按夏季工况设计，冬季季尖峰负荷采用太阳能补充 负荷较小时只使用土壤换热器，土壤换热器满足不了负荷需求时开启太阳能,太阳能调节2（图） 夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行制冷 冬季采用以太阳能为热源的热泵与地源热泵联合供热。太阳能作为辅助加热方式，与地埋管系统同时承担冬季主机供热功能,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: 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 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。 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。 地埋管地源热泵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。,
