冷热负荷非平衡地区土壤源热泵土壤热失衡研究现状及其关键问题

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)扬州大学 作者:杨卫波

  土壤热失衡是土壤源热泵在冷热负荷非平衡地区应用中出现的一种常见问题,是影响其长期高效稳定运行及正确推广与健康发展的关键。本文在阐述土壤热失衡概念、由来及其危害的基础上,详细分析了土壤热失衡问题的国内外研究现状,提出了其设计方案,并给出了土壤热失衡控制中有待解决的关键问题,可为土壤源热泵的相关研究及其实际应用提供参考。

1、引言

  土壤热失衡问题是随着土壤源热泵应用地域的延伸及其使用规模的不断扩大而产生的。它既是土壤源热泵系统长期高效稳定运行的关键,又是系统生态环保的前提。目前,土壤源热泵土壤热失衡的概念、产生原因、危害、设计方案、解决措施及其控制中的关键问题等,对于很多业内人士来说还是很模糊的,从而在一定程度上直接阻碍了土壤源热泵技术的正确推广与健康发展。真空技术网(www.chvacuum.com)发布本文在阐述土壤热失衡概念实质、产生原因及其危害的基础上,详细分析了其国内外研究现状,并从土壤源热泵地下埋管传热机理入手,分析了地下换热区域热扩散机理及其控制中的关键问题。

2、土壤热失衡问题

  2.1、土壤热失衡的概念

  土壤源热泵利用地下土壤作为吸热与排热场所,夏季将室内余热取出实现空调的同时,将热量排至地下储存以备冬用;冬季又将夏季储存的热量从地下取出实现供暖后储存冷量以备夏用,如此往复实现能源的可再生化与高效利用。因此,从工作原理上来看,土壤源热泵实质上是一种以地下土壤作为蓄能体的跨季节地下蓄能与释能系统。在这里,地下土壤是具有蓄能功能的“蓄能体”,而不是简单的“冷源”或“热源”。要保持土壤源热泵系统能够长期高效运行,就必须保证这一“蓄能体”在以年为运行周期的“恒温”特性。

  也就是说,在完成一个运行周期后,地下土壤温度能够恢复至初始状态。然而,对于年均冷热负荷非平衡地区,土壤源热泵地下埋管全年对地下土壤的取放热量会不一致,形成所谓的“冷热堆积”,从而导致土壤温度偏离其作为理想冷热源时的初始温度,并呈现逐年升高或降低趋势,即土壤热失衡问题。因此,解决土壤热失衡的关键是地下换热区域的土壤温度在完成一个运行周期后,通过自身的储能与传热扩散,土壤温度能恢复或接近至初始状态,从而保证其作为理想热源的“恒温”特性,这就是土壤热失衡问题的实质。

  2.2、土壤热失衡的由来

  2.2.1、冷热负荷差异

  根据热泵机组工作原理及能量守恒定律可知,夏冬季工况下的地下排热与取热量分别直接取决于建筑冷负荷与热负荷;在条件一定时,夏季建筑冷负荷越大,其地下排热量也越大;冬季热负荷越大,其地下取热量也越大。因此,建筑全年累积冷热负荷差异直接决定了全年地下累积取放量的不平衡率。当不平衡率超过土壤自身调控能力时,便会形成所谓的地下土壤“热堆积”,即土壤热失衡,从而引起大地土壤能量库靠自身难以得到恢复,以至于无法循环再利用,这是造成土热失衡问题的根源,是难以改变的客观因素。

  2.2.2、设计问题

  土壤热失衡设计包括地下换热区域和系统外部辅助冷热源的优化设计。地下换热区域的设计主要是埋管的布置,由于土壤是一个巨大的蓄能体,在蓄能量一定时,增大蓄能体积会降低土壤平均温度的变化幅度,因此,合理的布孔间距可避免各埋管间热干扰,从而可有效减缓土壤温度的上升或下降速度。埋管布置过密,不仅产生热干扰而导致各钻孔温度波叠加,而且也缩小蓄能体的体积,从而会加速土壤温度的变化,形成“热堆积”。在埋管布置一定时,系统辅助冷热源的设计对于平衡全年地下取放热量至关重要。然而实际设计中,很少严格以全年土壤温度恢复为目标,来对埋管及其辅助冷热源进行优化设计,导致辅助冷热源无法实现预期调控目标。因此,设计人员对埋管及其辅助冷热源的优化设计是造成土壤热失衡的一个极为重要的人为因素。

  2.2.3、施工问题

  施工问题是造成土壤热失衡问题的另一重要人为因素之一。尽管设计人员在设计阶段充分考虑了土壤热平衡问题,且按要求布置了埋管形式及其设计参数,但由于施工阶段缺乏有效的衔接及监督,再加上施工人员本身专业知识的不足,从而造成未按设计要求施工,最终导致设计与施工脱节。

  2.2.4、运行管理问题

  一套设计优良的系统,如果运行管理不当,也会造成土壤热失衡问题。目前,绝大多数系统在设计时都考虑了土壤热平衡调控所需的辅助冷热源设备。然而,实际运行过程中,运行管理人员由于各种原因,不按规定及时启停辅助冷热源设备,导致系统冬夏季节土壤的取放热量不平衡率高于设计值,从而导致热堆积,这在实际运行环节是一个不可忽视的因素。

  2.3、土壤热失衡的危害

  2.3.1、系统运行效率降低

  土壤热失衡的最大危害在于长期运行后埋管区域土壤的“冷、热堆积”,这会导致土壤温度逐渐偏离其作为理想冷热源时的原始温度,并呈现出逐年升高(供冷为主的地区)或降低(供暖为主的地区)趋势,从而导致热泵蒸发温度的降低或冷凝温度的升高,最终会使系统运行效率降低甚至恶化,从而失去土壤源热泵所具有的节能优势。因此,如何保证土壤热平衡是地源热泵系统长期高效运行的关键。

  2.3.2、对局部土壤热环境影响

  (1)对大地热流的影响

  已有研究表明:生态环境的优劣与区域大地热流有密切的关系,大地热流的高低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限,可能制约了一些地区生态系统物种的多样性,进而影响到区域生态系统的稳健性。同时,大地热流的脉动还影响区域大气系统下垫面的热力背景和气流运动,从而影响降水的分布和区域气候的干湿程度。大地热流的高低与区域地温梯度以及岩土的导热系数密切相关。一个地区地下岩土导热系数通常可认为不变,但地温梯度则与地表温度、地下岩土温度分布及深度有关。由于土壤源热泵热失衡平衡所形成的热堆积必然会引起土壤温度场的变化,进而造成地温梯度的变化而影响到大地热流,这无疑会对地表生态系统带来难以预测的影响。

  (2)对生物生长的影响

  温度是影响生物生长发育最重要的因素之一。通常把作物生命活动过程中所要求的最适温度以及能忍耐的最低和最高温度统称为三基点温度。最适温度条件下作物的生命力强盛、生长发育迅速而正常,当临近其所能忍受的最低或最高温度时,作物一般会停止发育,但仍能维持生命,如果温度持续降低或升高,作物就会受害直至死亡。土壤温度的变化也会影响植物根系活动,从而影响其对营养元素的吸收。各种生物只分布在它们所能耐受的温度范围内,因此土壤温度是生态系统存在和演化的重要限制因子。土壤热失衡会导致土壤温度的逐年持续升高或降低,一旦其超过原有生物活动所要求的三基温度,则必然会导致某些生物群落的灭亡,引起生物种类的重新分布,最终影响到整个区域生态环境的变化。

  还影响区域大气系统下垫面的热力背景和气流运动,从而影响降水的分布和区域气候的干湿程度。大地热流的高低与区域地温梯度以及岩土的导热系数密切相关。一个地区地下岩土导热系数通常可认为不变,但地温梯度则与地表温度、地下岩土温度分布及深度有关。由于土壤源热泵热失衡平衡所形成的热堆积必然会引起土壤温度场的变化,进而造成地温梯度的变化而影响到大地热流,这无疑会对地表生态系统带来难以预测的影响。

  (2)对生物生长的影响

  温度是影响生物生长发育最重要的因素之一。通常把作物生命活动过程中所要求的最适温度以及能忍耐的最低和最高温度统称为三基点温度。最适温度条件下作物的生命力强盛、生长发育迅速而正常,当临近其所能忍受的最低或最高温度时,作物一般会停止发育,但仍能维持生命,如果温度持续降低或升高,作物就会受害直至死亡。土壤温度的变化也会影响植物根系活动,从而影响其对营养元素的吸收。各种生物只分布在它们所能耐受的温度范围内,因此土壤温度是生态系统存在和演化的重要限制因子。土壤热失衡会导致土壤温度的逐年持续升高或降低,一旦其超过原有生物活动所要求的三基温度,则必然会导致某些生物群落的灭亡,引起生物种类的重新分布,最终影响到整个区域生态环境的变化。

6、结语

  土壤热失衡问题对于土壤源热泵系统长期高效稳定运行至关重要,是当前土壤源热泵正确推广与健康发展的关键,它不仅决定了该系统的市场竞争优势,也决定了该项技术的节能与环保性乃至未来的可持续发展性。土壤热失衡问题作为土壤源热泵在冷热非平衡地区应用上的一个技术难题,完全可以消除土壤源热泵认识误区的基础上,通过前期的优化设计、严格完善的施工监控体系及后期规范化的运行管理来解决,这可以通过业内正确宣传及设计部门、施工单位与运行管理部门的共同配合来实现。

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