地埋管换热器运行对土壤“热堆积”问题的分析与探究.pdf

42(9):89-91.serAnalysNO.09202389综述节能ENERGYCONSERVATION地埋管换热器运行对土壤“热堆积”问题的分析与探究魏祥祥（沈阳建筑大学市政环境工程学院，辽宁沈阳110 16 8）摘要：解决“热堆积”问题是提升地源热泵性能和降低碳排放的关键，提出了3种解决方式。第一种是在U形管两中心处、回水管保温处添加一定深度和厚度的隔热板，分析钻孔间距、埋管深度等因素对热短路现象的影响；第二种是通过间歇运行的方式改善土壤热不平衡问题；第三种是构建复合土壤源热泵系统，增加冷却塔散热系统，降低土壤的热平衡性。阐述了热累积产生的原因、结果以及对机组在长时间运行期间产生的影响，同时分析不同的管理方式、控制方式、适用条件，为工程上解决“热堆积”问题提供参考关键词：地源热泵；地埋管换热器；热堆积；抑制措施中图分类号：TU83文献标志码：A文章编号：10 0 4-7 9 48（2 0 2 3）0 9-0 0 8 9-0 3doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.025sis and research on soil heat accumulation caused by the operation of buried pipe heat exchangWEI Xiang-xiangAbstract:Solving the problem of heat accumulation is the key to improve the performance of ground source heat pumpand reduce carbon emissions.Three solutions are proposed.The first is to add a certain depth and thickness of heatinsulation plate at the two centers of U-shaped pipe and the insulation of return pipe,and analyze the phenomenon ofthermal short circuit caused by factors such as drilling distance and buried pipe depth.The second is to improve soilthermal imbalance through intermittent operation.The third is to build a composite ground source heat pump system,increase the cooling tower cooling system,and reduce the heat balance of the soil.The paper describes the causes andresults of heat accumulation,as well as the impact on the unit during long-term operation.At the same time,it analyzesdifferent management methods,control methods and application conditions to provide ideas for solving the problem ofheat accumulation in engineering.Key words:ground source heat pump;buried pipe heat exchanger;heat accumulation;suppression measures引言地源热泵系统是直接应用地热能实现采暖、制冷和提供生活用水的三联供热泵系统。在夏季，空调通过浅层的地热能带走水源侧的热量；冬季，空调通过浅层的地热能带走水源侧的冷量。地下水源热泵系统是以地下水为传热介质，将地埋管换热器的热量带走，制热期从地下水中汲取热量、制冷期向地下水排放冷凝热的新型空调技术。目前，地源热泵得到大量应用，在应用过程中需要重点考虑地源热泵系统的土壤热平衡问题。徐森森 2 研究并总结了不同种类回填材料的导热系数对土壤热短路现象的影响，埋管土壤温度的变化会直接影响地源热泵的运行，严重时会影响地源热泵的能效值，不利于节能降耗，同时也会对当地土壤环境造成一定影响，需要对土壤热平衡问题进行分析与研究。文中以地源热泵系统的土壤热平衡现象为依据，分析总结地埋管换热器热平衡的产生原因，同时比较不同方法的优劣、适用条件，为工程上土壤源热泵的设计提供参考。1土壤热短路现象地热能属于可再生能源，利用地源热泵供暖可以实现节能减排。但在地源热泵机组的实际运行过程中，机组运行状态下的能效系数(COP)值小于理想状态的COP值，制冷量、换热量会出现偏差，造成该现象的主要原因是地埋管换热器存在热短路现象。地埋管换热器内的水温分布和埋管换热土壤温度区域呈动态变化。由于受到实际占地面积的限制，U形管的上升管和下降管间距较小且存在温差，钻孔内的回填材料导热系数较大，两个支管附近的温度场会交叉，使两支管会发生热量回流，作者简介：魏祥祥（19 9 3一），男，硕士，助理工程师，研究方向为地源热泵的运行与节能。收稿日期：2 0 2 2-11-30引用本文：魏祥祥.地埋管换热器运行对土壤“热堆积”问题的分析与探究综述 J.节能，2 0 2 3，NO.092023节能ENERGYCONSERVATION90M综述生成热短路现象 3。该现象很大程度影响了换热的速率和效率，影响地源热泵COP值。U形管的两支管（上升管和下降管）在换热过程中出现热短路现象时，供暖工况下，地埋管换热器作为冷源需要吸收土壤的热量，出水温度会低于理想出口温度，使进出口水温温差变小；制冷工况下，地埋管换热器作为热源需要吸收土壤的冷量，出水温度会高于理想出口温度，不符合铭牌上规定的进出口温差，会出现“热堆积”现象，最终影响换热。1.1建筑物的冷热负荷我国面积庞大，不同区域的气候条件不同，制冷季和供暖季的需求负荷、持续时间不同，土壤的热失衡的程度会发生相应的变化，需要具体分析土壤取放热量的不平衡率性。Gaol4等研究了土壤源热泵在供暖季和供冷季的土壤的热不平衡率，模拟机组运行周期为5年，土壤的冷热不平衡系数为3%和10%时，地埋管土壤边界层温度分别升高0.8 1和2.7 7，土壤温升越高，越不利于机组长期稳定运行。1.2复合地源热泵系统建筑物需求负荷较大时，为了避免地源热泵机组的效率降低，需开启辅助系统调节峰值，使土壤保持冷热平衡。高承苗 5 等提出了工业废热与土壤源热泵复合的联合供热模式，并通过定量分析证明，该联合供暖模式在降低能耗、经济性方面具有显著优势。刘海霞 6 等以哈尔滨地区某客运站为案例，发现复合地源热泵系统既能够满足负荷要求，又能够达到节能目标。翁雯 7 等对南京地区某工程案例进行分析，发现供暖季的热负荷大于供冷季冷负荷时，太阳能会及时给土壤补热，直到温度场达到冷热平衡。李大鹏 8 通过模拟运行计算发现，夏热冬冷气候区的耦合式土壤源系统可采用室内精确控温的方式控制地源热泵系统的运行。魏建科9 以南京地区某建筑为研究对象，建立冷却塔耦合地源热泵系统的模型，并进行了总时长为2 0 年的模拟，研究热平衡状况和系统运行性能。1.3地源热泵系统的优点（1）土壤温度稳定。无论在冬季还是夏季，浅层土壤温度是恒定的，处在一种较为稳定的状态，为地源热泵机组运行提供了条件；在冬季，系统吸收土壤的温度给建筑物供暖，在夏季，将室内的高温排进土壤；地热能作为恒定温度场，为地源热泵机组提供源源不断的动力。(2）环保性、安全性好。地埋管换热器中的水与土壤接触，无任何污染性的物质产生；由于地埋管埋藏地下，只与土壤换热，系统的稳定性好；地埋管侧取代了传统的锅炉，可以节约人工成本、材料成本；地源热泵提供可再生能源，可以节约能源。2解决热不平衡问题的措施地埋管换热器与土壤的传热过程是耦合传热，有各种各样的因素相互影响：地埋管释放土壤的热量和吸收土壤的热量对土壤温度的影响；机组运行周期对土壤补热以及土壤温度场恢复的影响 0；其他材料的导热系数、埋管的管长、管径、管间距、管深对土壤温度场的影响因素 等。换热器传递温度给周围土壤需要一定的时间，土壤的导热系数较小，作为非稳态的传热，存在许多不确定性，地埋管内液体不能够立刻将热量传递给土壤的边界层，而是逐步向外渗透传热，容易造成地埋管换热器附近土壤发生热累积效应。所以，在地源热泵系统长时间运行过程中，需要对地埋管的温度进行逐时监测。将地埋管的温度控制在一定的温度范围之内，这样才能保证地源热泵机组的使用效率和节能性。地埋管在传热过程中需要留有时间让换热器附近的土壤将热量向外传递，尽可能平衡掉热累积温度对地源热泵机组运行的影响。目前国内外学者大多从U形管两管中心添加隔热板、土壤源热泵间歇运行、复合地源热泵系统辅助散热系统等方面研究地源热泵系统的热不平衡问题。2.1添加隔热板目前，地埋管侧填涂层的回填方式主要为人工回填方式和机械回填方式。该方式阻断了两支管之间的直接传热，有效缓解了左右侧土壤的热混合，能够更好地加热或冷却管内的循环流体。但在实际工艺过程中，在两支管中心线处添加隔热板比较困难，该措施在理论方面可行，为实施工艺过程提供理论基础。可以通过Fluent软件模拟的方法探究单、双U形地埋管换热器有、无隔板对热短路的影响，结果表明，添加隔热板能够降低单U形管、双U形管的热损失。林久宇 12 等对U形回水管保温的方法进行Fluent数值模拟，结果发现，保温管深度与换热量不成正比，在U形管回水管处保温可以有效缓解热短路现象。在两U形管之间增加隔热层可以有效降低热损失带来的影响，但是未进行具体定量分析，未来可以探究隔热板的最优深度以及隔热板物的参数选择13。循环流体在经过U形管时，从下降管流入，上升管流出，流体流经下降管与土壤换热后，土壤温度升高会影响上升管的换热，发生热短路现象，当出水管与弯管距离较远时，热短路现象严重，需要在两管之间增设隔热板2.2土壤源热泵间歇运行地埋管换热器的换热效率直接影响整个土壤源热泵的运行效率，缓解土壤“热堆积”的另外一个有效方法是对土壤源热泵采取间歇运行的方式，进行维护和管理。间歇机制能够使土壤温度及时恢复，保证换热器的换热效率，具有较好的经济性14。范萍萍15 等分析大连地区土壤源热泵机组在供暖长期运行的模式下，分别用NO.092023节能ENERGYCONSERVATION91综述间歇运行、连续运行两种模式，研究地埋管侧土壤温度的变化。结果表明，间歇运行的地埋管侧土壤温度变化均匀，有利于提高土壤源热泵的运行环境。李永强16 等通过模拟得出土壤在地源热泵运行15年内温度场变化，表明机组在连续运行方式下，土壤温度呈上升趋势；采取间歇运行模式后，土壤温度变化缓和。2.3土壤源热泵辅助散热系统何海龙7 以青岛地区采用冷却塔-土壤源耦合式热泵系统的建筑物为例，对比分析承担不同比例负荷的冷却塔散热，结果表明，对于夏季供冷量大于冬季供热量的地区，采用冷却塔-土壤源混合式热泵系统节能性好。不同方案中，冷却塔分担的散热负荷不同，土壤源热泵的能耗也不同。刚文杰 18 等利用人工神经网络模型预测分析地埋管换热器的出口水温，结果显示，这种模型的预测地埋管出口水温误差在0.2 以内，具有较高精度。杨婧 19 对酒店类建筑的地源热泵系统提出了间歇运行的方案。间歇运行时分为两个系统，为了实现混合式地源热泵系统的间歇运行，选型时增加了一台冷却水塔，分时间段采用地埋管和冷却水塔进行散热，土壤冷热不均衡现象严重时，选择运行冷却塔进行散热。李永强16 等研究发现，地埋管能效系数取决于回填材料的物性参数，回填材料的物性参数范围越大，地埋管的能效系数也就越大。3绍结语土壤源热泵系统在长时间运行过程中效率会下降，地埋管换热器换热效率的下降导致土壤源热泵运行效率下降，属于土壤热失衡问题。文中阐述生成热累积的原因，总结分析缓解热累积的方法。第一种是在U形弯管的两中心处、回水管保温处添加一定深度和厚度的隔热板，分析钻孔间距、埋管深度等因素对热短路的现象。在有限距离的U形管中采用不同的方法，抑制热短路，主要是在两支管间添加不同深度隔热板或在回水管段敷设不同深度和厚度的保温层，通过分析Fluent模拟数据，从节能型和经济性两个方面对热短路现象进行优化。第二种通过间歇运行的方式改善土壤热不平衡问题，将地源热泵分时间段运行，既能保证地埋管附近土壤储放热平衡，又能合理利用峰谷电。第三种是构建复合式土壤源热泵系统，除地埋管作为散热系统外，外加冷却塔散热系统，可以有效解决土壤的冷热不平衡问题。地源热泵在运行过程中会出现“热堆积”现象，可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理，降低土壤“热堆积”现象。参考文献1】张远东，万育生.我国地下水源热泵应用现状和监管措施探讨 .中国水利,2 0 0 9(2 1)：39-41.2徐森森.岩土分层地埋管换热器传热性能数值模拟研究 D.郑州：中原工学院，2 0 19.3 吴金星,郭桂宏,李俊超,等,U型埋管换热器管间热短路性能数值分析 J.制冷与空调(四川),2 0 14(1):16-2 1.4 Gao J,Zhang X,Liu J,et al.The thermal performance and groundtemperature of vertical-foundation heat exchangers:A case study J.Applied Thermal Engineering,2008,28(17):2295-2304.5高承苗，习乃仁,石维群,等,工业余热在改善冬季地源热泵系统运行中的应用 J.建筑热能通风空调,2 0 12,31(3)：50-52.6 刘海霞,杨洁,张旭,等.严寒地区复合地源热泵系统合理负荷分担率分析 J.制冷技术,2 0 12,32(3):41-45.7翁雯,余跃进.夏热冬冷地区太阳能辅助地源热泵供热的应用研究J.建筑节能,2 0 10(8):2 8-2 9.8 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