土壤热平衡的特征

 土壤热平衡的时间尺度

 

  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。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。

 

  土壤热失衡问题的影响因素

 

  空调季节地埋管换热器内的逐时负荷输入造成土壤温度波向远离地埋管换热器壁面方向传递, 但对于远离其壁面不同距离处有不同的峰值衰减和时间延迟, 此时, 土壤是热泵的热源或热汇, 热量是通过地埋管换热器内的强制对流逐次传递给土壤的。

 

  而过渡季节空调停运时的土壤热扩散则是自然传热过程, 地埋管换热器附近的土壤由于其储热向远处扩散而造成自身温度缓慢趋于初始值。可见土壤的热平衡是个复杂多变的过程, 量化分析有理论上的困难[ 3] , 但更为麻烦的是复杂的分层地质差异、多变的地下水含量与流速、长期运行空调逐时负荷的变动等诸多微观因素, 使得贴近实际情况的模拟软件模型搭建困难, 如此长模拟时间对于实际情况的偏差也难以控制。但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。

 

  土壤温度变化的趋势分析

 

  地埋管换热器周围的土壤温度变化总是由内向外逐层传递, 任何一点的逐时温度主要由冬夏季节两条周期性变化的日平均温度波的相位和波幅叠加决定, 同时还受空调间歇运行造成的多条逐时温度波变化影响。因此, 全年在以地埋管换热器中心为半径的各层土壤的温度变化规律大致相同, 可以近似认为是多组以年为周期波动的正弦曲线。

 

  地埋管换热器近壁处土壤的温度波动幅度较大, 竖直地埋管换热器半径方向上各处温度振幅迅速衰减, 这是因为土壤换热作为管内强迫传热和管外自然传热的一种复合传热过程, 其热阻主要是管外的土壤热阻, 因此土壤对传热的波峰衰减和时间延迟就显得非常明显[ 5] 。浅层土壤随全年大气温度波动和太阳辐射变化时的温度变化情况也可以形象地说明这一点, 图3 为从国家气象局实测数据整理得到的上海浅层土壤历年月平均温度, 可见3 .2 m处土壤温度的波幅就小于地表的1/5 , 波峰出现的时间也延迟了近4 个月。

 

  当夏季工况结束时, 地埋管换热器周围土壤温度场并没有马上进入恢复阶段, 而是按照该处土壤滞后的相位温度继续逐次升高, 直至达到该处波峰, 这个相位的延迟越远, 离地埋管换热器需要的时间越久。这说明土壤自身的热扩散和温度恢复能力是比较差的, 原因在于土壤本身的热阻要高于管内对流热阻和管壁的热阻, 因此随着散热半径的增大, 地埋管换热器总热阻迅速增大, 土壤完全依靠自身扩散取得热平衡所需的恢复时间增长。同时由于土壤温度的传递是动态的, 需要认真分析不同地埋管换热器温度波的叠加, 比如夏季刚开始运行时, 地埋管地源热泵的散热效果是比较好的, 但如果持续运行, 当不同地埋管换热器的温度波开始叠加而互相影响后, 就会出现冷却水温度升高和系统效率下降的情况, 此时土壤温度将进入快速上升期, 此后地埋管地源热泵的持久运行特性将变差。

 

  因此应根据需要合理设定地埋管换热器的布置间距, 如能适当增加地埋管换热器钻孔的深度, 也将有利于提高地埋管地源热泵系统的持久运行特性。