李俶是怎么死的:地源热泵系统在温室大棚应用的可行性报告

来源：百度文库编辑：中财网时间：2024/04/27 07:07:06

地源热泵系统在温室大棚应用的可行性报告地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析马福一刘业凤（上海理工大学能源与动力工程学院，地埋管地源热泵年运行的吸排热不平衡，这会导致热堆积，引起系统性能下降。结合浅层地热资源的性质和地域特性，综合分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来，及其对热泵运行和生态环境的影响，并结合热平衡问题的影响因素提出了解决热平衡问题的技术思路。关键词地源热泵热平衡地域特性生态环境地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点 [1] 。相对于地下水地源热泵和地表水地源热泵，地埋管地源热泵不受地域限制、不污染地下水，不受水文环境地质政策的限制，具有更好的应用前景，近年来作为一种新的空调冷热源在我国发展迅速 [2] 。深层土壤一年四季相对恒定的温度保证了地源热泵系统的高效节能，但是土壤吸排热不平衡可能造成土壤温度持续变化，不利于热泵的长期稳定运行，也会对生态环境造成一定影响。地源热泵空调系统要获得大规模应用，必须对热平衡问题进行资助项目：上海市重点学科建设深入研究。 1 土壤热平衡问题的产生地源热泵系统并不是一种地热利用系统，它只是将地下下含水层、土坡、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸排热的蓄热体 [3] 。从地质构造上来讲，地下30-300m 间的地层是一个受太阳照射与气温影响和地核导热与对流影响的恒温层，这个恒温层的温度与当地全年平均气温有很好的相关性，但完全不受当地四季气温变化的影响。并且，由于地壳的导热系数小，热容量大，短期内此恒温带的温度恢复不可能由地表太阳照射或深层地热资源来补充。而一般情况下，地埋管换热器与扩散半径范围内的土壤换热过程中，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, 加之地源热泵有很强的地域性，刘晓茹 [4] 以一幢地上二层别墅为例，在假设建筑物采用了相同的围护结构，通过软件对我国5 个典型气候区域代表性城市的全年逐时空调负荷，结果如图1 所示。各地都不同程度的存在吸排热不平衡的状况。 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 -20.0 -60.0 -80.0 -100.0 -40.0 96.0 88.2 54.2 上海广州齐齐哈尔沈阳北京 -26.5 -85.0 吸排热不平衡率 % 1)设制热季节能效比=4，制冷季节能效比=3； 2)不平衡率=（吸热量-排热量）/吸热量与排热量中较大者 100% 图1 五个代表城市的全年吸、排热量不平衡率比较 [4] 恒温层作为热泵热源和热汇的蓄热体，这就要求地埋管与扩散半径内土壤的换热要满足地源热泵在一个运行周期内（一年），其吸排热差值不能超过土壤固有的散热能力，否则将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,出现地埋管地源热泵热失衡问题。 2 土壤热平衡问题的危害 2.1 热平衡问题对热泵运行的影响根据建筑热工我国可分为5 个区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。由于巨大的地域差异，使得大部分地区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大。而近年来地埋管地源热泵系统的数量和规模不断增加，形式多采用在一定区域密集布置的竖直单 U 甚至双 U 型地埋管换热群，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。地埋管换热器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。Rottmayer S P 等 [5] 做的相关研究表明，夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量均衡时孔深不随运行时间变化,不均衡时地埋管换热器换热性能下降，随运行时间的延长所需的设计孔深呈对数曲线增大。马宏权等 [6] 对武汉市民用住宅的地埋管地源热泵项目实测了3 个季度。发现该项目运行一年后土壤温度有明显升高，各层土壤的温升为1.5～ 2℃,这种趋势可以导致周期年后地埋管地源热泵系统的冬季制热效率稍有提升但夏季制冷效率明显下降。宋著坤等 [7] 以天津一幢办公楼的地源热泵项目为实验对象，地下埋管换热器采用U 型桩埋管和井埋管两种埋管换热器。设计工况下冬季从土壤吸热平均负荷约为夏季向土壤排热的70% ,而从1 月5 日和 8 月 12 日的对比发现,1 月 5 日从土壤吸热的平均负荷仅为 8 月 12 日向土壤排热的 41%。实际中冬夏两季土壤的吸、排热负荷差值比设计值大。机组性能系数在第二年夏季只有2.98，比额定工况 3.75 减少了20.5%。综上所述，热平衡问题对热泵长期运行特性有明显影响，由于土壤热阻高于管内对流热阻和管壁的热阻，加上持续运行后地埋管温度波的叠加使土壤温度恢复时间增长，出现冷却水温度升高（降低）和系统效率下降，土壤温度持续改变,此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。 2.2 热平衡问题对生态环境的影响地埋管地源热泵热平衡导致的土壤温度变化不仅影响地埋管换热器性能，对热泵的稳定运行产生影响，使效率降低甚至无法正常运行。而且地源热泵长期运行造成的热堆积改变土壤温度，对土壤的性质产生影响并危及到土壤的生态环境。另外，热泵在温度控制方面优于传统的煤炉或电炉，使得热泵在果蔬培育尤其是反季果蔬培育中得到越来越广泛的应用，使得我们必须关注地源热泵的长期运行对土壤环境的影响，这直接关系到农业生态系统的平衡 [8] 。 1）土壤温度通过大地热流对生态环境的影响匡耀求等 [9] 曾对不同热导率的土壤中种植的桉树进行了长期观察，发现长势在2 个月后出现明显差异，并随时间推移差异变大。可见土壤热流对桉树的长势产生了显著影响。区域大地热流的高低对区域生态系统的演化有重大的影响，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, 可能制约一些地区的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。存在热平衡问题的地源热泵长期运行可以导致地埋管周围区域热堆积，必然造成地区温度的持续升高或降低。从而影响到大地热流，使地壳表层的正常温度分布遭到破坏,形成局部地热异常区,进而影响生态环境。 2）土壤温度对土壤物性和生物的影响土壤温度是影响冻结土壤入渗能力大小的一个主要因素。在非冻结条件下,土壤温度对土壤入渗能力的影响甚微,但是在冻结条件下,土壤温度是土壤水分发生相变的两大条件之一,对土壤入渗能力的影响显著。程艳涛等 [10] 在深度 10～20cm 的土层中,做连续的饱和导水率观测试验,得到地温与饱和导水率的关系如图2。 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 2 4 6 10 8 12 土壤温度 C 饱和导水率 mm/s R2=0.9874 y2=0.0098x2-0.0776x+0.3026 图2 地温与饱和导水率关系 [10] 在北方寒冷地区推广地源热泵时,冷热负荷的不平衡必然带来土壤温度的持续降低,饱和导水率下降,进而带来土壤相应的物性参数改变。土壤温度影响植物生长、发育、繁殖，而且是土壤形成和发育的重要因素。他影响到土壤中有机质和 N、P、K 素的积累，土壤导电性，土壤水分状况等。李世清等 [11] 对黄土高原南部半湿润易旱区对土壤温度和土壤微生物体氮的季节性变化进行了研究，发现在4～36℃范围内,微生物体氮与温度呈线性相关，土壤微生物体氮与土壤温度有显著或极显著的正相关性。土壤温度升高也会影响植物根系活动,从而影响其对营养元素的吸收，还可能影响其中的微生物等分解者活动，一般而言,可能加速死亡地被物的分解,但也可能改变诸如动物等的种类与数量而发生部分物质难以降解,最终影响整个区域生态环境的变化。 3 土壤热平衡问题的影响因素空调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。此过程受土壤热物性、管群布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等因素影响。地源热泵在供热工况下，地埋管换热器入口温度低于 0℃时换热器周围含湿土壤有可能冻结。在水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸收同等数量的热量情况下,土壤降低温度的幅度小。水分越多,释放的潜热量越多,温度降低幅度越小,在邻近地热换热器埋管的土壤温度越高，对热泵供热工况运行越有利。于明志等 [12] 对土壤冻结对地热换热器与其周围换热过程影响进行了研究。对有量纲数据进行分析，结果如表1 所示（ε为土壤孔隙率）。可见地源热泵系统设计时有必要考虑可能出现的土壤冻结问题，这会减小地源热泵系统的初投资, 增大热泵工质和防冻液的选择范围。表1 r=0.1m处的土壤温度温度 ε=0 ε=0.2 ε=0.4 ε=0.6 ε=0.8 考虑冻结 -16.48 -12.25 -10.80 -10.12 -9.78 不考虑冻结 -16.48 -18.23 -21.47 -26.28 -35.31 地下水渗透和流动无处不在，地下水的渗透和流动会影响到整个地下环路热交换器的换热系数，在钻井现场设计过程中，许多复杂情况都是由于地下水的流动而导致的，地下水的流动不仅影响到岩土热传导率测定的准确性，而且影响到整个换热器的长期性能。王庆鹏 [13] 研究了地下水渗流对地脉管换热器传热的影响，发现有渗流的土壤温度场发生了变形，地下水的渗流对土壤热交换有显著影响，不仅土壤通过热传导换热，而且还形成对流换热，大大增强换热器的热交换能力，并能有效降低冷热负荷不平衡。文献[14]研究表明：在地下渗流速度为 10 -6 m/s(约为30 米/年)左右时，热交换能力比无渗流时增大约 30%。可见，地下渗流对地脉管换热器的影响不可忽视，也是影响热平衡问题的重要因素。另外在工程上，有地下水渗流时地埋管应沿地下水渗流方向交错布置，以尽量避免群埋管间热扰。赵军等 [15] 以南京一个桩间距较小(1.8～2.1m) 的大面积密集型桩埋地源热泵为例，研究发现，桩群热作用范围扩大到6～8m 左右，表明埋管之间已开始发生强烈的相互作用，夏季工况结束后,桩群周围土壤温度场存在一个较大的热惯性。甚至在冬季工况初期时,这种作用仍然存在。可见，土壤吸放热过程是一个相对缓慢且滞后的过程一旦超过土壤本身自然的热扩散能力或限度,就会在局部区域产生暂时的热量聚集。地温的恢复特性主要取决于土壤热物性、管群布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等。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。 4 热平衡问题的解决方法要发挥地源热泵作为新的、更高效的冷热源优势，显现其节能、环保优势，就要解决地源热泵存在的热平衡问题。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。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,其实施受实际情况限制。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。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。采用辅助热源或冷却源与地埋换热器并用的调峰形式 [16] 。这样不仅节省初投资，而且平衡机组向土壤吸取或排入较多的热量，改善系统性能。对存在冬夏两季从土壤中吸排热不平衡的地区,应对地源热泵系统辅以其他冷热源。在北方地区,冬季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。而南方地区,为了平衡夏季向土壤排热量,可以采用辅助冷却塔散热、利用建筑周围的景观喷泉或者地表水来消除峰值负荷。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，例如国外已有研究的浅池塘辅助冷却系统，游泳池加热的混合系统，冬季停车场、车道、桥面的融雪化冰等。近年来在欧洲流行的跨季节蓄热地源热泵 [17] ，利用地埋管将夏季的太阳热蓄储到深层土壤中, 冬季以太阳能和土壤热作为热泵的复合热源进行供暖,将太阳能跨季节蓄热与地源热泵技术有机结合，适宜冬季供暖期长的严寒地区。国内跨季节蓄热地源热泵的研究还处于起步阶段，崔俊奎等 [18] 建立一个管群蓄热模型模拟全年蓄热、取热过程，结果显示跨季节土壤蓄热系统运行一个周期后, 土壤的温度场基本上可以恢复平衡，并通过一套太阳能土壤跨季节蓄热与地源热泵组合系统进行实测，验证了模型的可靠性。土壤储热能力大、热损失较小，经济分析表明，这种系统目前可与电加热系统相竞争，文献[19]中研究表明在发展中国家，此种系统则可与用常规燃料供暖的系统相竞争，土壤储热太阳能供暖系统的年度成本仅为电加热系统的 1／3 左右，为常规太阳能供暖系统的 2／3 左右。通过合理设计，可以作为解决热平衡问题的有效手段，目前国内应用较少，可以作为北方地区地源热泵发展的一种新形式加以研究、推广。另外还可以选取带热回收功能的机组,利用制冷机的冷凝废热来制取生活热水,减少了系统对土壤的热排放,也能起到缓解土壤热平衡的目的。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。 5 结束语 1)地埋管地源热泵因其良好的节能型和环境效益，近年来得到越来越广泛的应用，但要进一步推广必须对土壤热失衡问题引起足够重视，尤其是高度密集的竖直埋管方式，如果热平衡问题不能很好解决，必将影响到系统的效率和长期稳定运行。地埋管地源热泵不仅影响地热器的换热性能，还危机到周围生态环境，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，可以加强此方面研究。 2)土壤热失衡受众多因素影响，以往关于土壤热性的研究多集中在土壤导热率和热扩散率，而土壤冻结、地下水渗流等都应该得到足够重视。另外，充分考虑桩埋管密集度、热不平衡率、系统起停比等。把众多因素综合考虑，设计出热平衡方案。 3)辅助冷热（源）混合系统可以很好的解决土壤热失衡问题，目前研究多集中在辅助冷却或加热装置的容量和地下埋管大小的优化配置，辅助冷却或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。对于跨季节蓄热的研究还处于起步阶段，类似这样把太阳能跨季蓄热应用到地源热泵的新技术，也将有利于对热平衡问题的解决。

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