地源热泵冬季制热夏季散热是不是能够做到热平衡？

2023-01-22

本文主要是 地源热泵冬季制热夏季散热是否能够做到热平衡？ 相关的知识问答，如果你也了解，请帮忙补充。

地埋管地源热泵(ground-coupled heat pump)系统的研究和项目实施是我国地源热泵(ground source heat pump)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地下水地源热泵(ground water heat pump)和地表水地源热泵(surface water heat pump)系统要稍高。但这些并不妨碍地埋管地源热泵的迅速发展, 原因在于地埋管地源热泵采用地埋管换热器(ground heat exchanger)内循环水换取土壤中贮存的温差能, 没有对自然水源的开采和污染的担心, 因此适用性更广, 安全稳定性更高, 尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的空调冷热源。
地埋管地源热泵(ground-coupled heat pump)系统
与欧美地埋管地源热泵主要采用水平埋管式地埋管换热器、通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同, 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虽然能较好地适应中国地少人多的国情, 但是也带来了技术上的隐患, 那就是地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡问题, 它已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。
1、土壤热平衡问题的由来
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。
在我国东北以供暖为主的地区, 理论上也可能出现地埋管地源热泵连年运行后土壤温度下降, 但以供暖为主的系统采用辅助热源的比例较高, 实际出现土壤失衡的可能性较小。
在夏热冬冷地区, 建筑物夏季供冷的时间要比冬季供暖的时间长约2 个月, 供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1 倍, 在以供冷为主的地区这种差异更大。这样, 系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升, 严重时会造成夏季高峰负荷期地埋管换热器内循环冷却水温度达40 ℃以上, 引起热泵机组制冷效率严重降低。
地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程, 它以土壤导热为主, 但同时还包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热, 因此土壤的热物性、含水量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个地埋管换热器的传热过程产生影响。只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力, 就可以保持全年的热平衡。
2、国内土壤热失衡的几种常见情况分析
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）地埋管换热器数量布置过少
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）地埋管换热器间距小
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。 参考知识1 对于祝融环境安装的地源热泵系统而言，热平衡的确是需要考虑的问题；别墅类型的项目，由于周围有足够多的花园绿地供埋管基本不会产生热堆积问题；江南地区，由于年均制冷期长于制热期，有可能导致地下换热器单向的趋势，但三位一体机组的热回收功能使制冷的同时回收余热制备生活热水，消耗相当一部分废热，使土壤保持热平衡。江南地区，另一个优势是地下水资源丰富地下水的流动可以使热量均衡不易产生热量堆积。之所以有些较大的地源热泵工程会产生热平衡问题，原因是受占地面积限制致埋管较密集不易散热。别墅住宅一般不用担心热平衡问题。本回答被提问者采纳