土壤源热泵系统热平衡问题

热平衡问题的形成原因

 

  由土壤源热泵的工作原理可知，夏季要不断向土壤排放热量，冬季不断从土壤中取出热量，其应用存在一个最佳适用地域范围，即全年冷热负荷相当的地区。然而，并非所有的地方都是全年冷热负荷相当的地区，某些区域或多或少都会存在热( 冷) 堆积的情形，这样就会影响土壤源热泵系统的能效。

 

  土壤源热泵竖直埋管的深度一般为90 ～ 120m，67% 以上的埋管处于恒温层。因地壳传热系数很小，热容量极大，若仅依靠太阳辐射热或地幔的热能传递到恒温层来恢复土壤温度，其温度恢复将需要相当长的时间［33］。另外，土壤、卵石、岩石之间的传热以及地下含水层的热迁移都相当缓慢。由于水的比热容很大，传热也比较快，所以土壤中含水率越高，则热迁移的速度就越快［34］。但是，即使是在土壤含水率比较高的地区，土壤热平衡问题还是大量存在。

 

  在夏热冬冷地区，建筑的夏季冷负荷远大于冬季热负荷，如果采用土壤源热泵对建筑物进行冷暖联供，夏季向土壤中排放的热量就会远大于冬季从土壤中获取的热量，破坏土壤的热平衡，形成热量堆积。当热泵机组长时间连续运行时，堆积的热量超出土壤自身的热扩散能力，地下土壤的温度场得不到有效地恢复，将会导致土壤源热泵系统换热能力减弱，热泵机组的效率( COP) 不断下降。当热量堆积到一定程度时，土壤源热泵系统就可能无法正常制冷。在严寒地区，情况刚好相反。

 

  此外，人为因素也是造成土壤热平衡问题的一个原因，比如在设计方面，缺乏有效的调控措施，考虑问题不够全面; 在施工方面，缺乏有效的衔接与监督，施工人员的专业知识不足，导致施工与设计环节脱节; 在运行管理方面，不按设计要求及操作规程操作等，这些都是造成问题出现的潜在因素。但这些人为因素都可通过一定的方法避免，造成土壤热平衡问题的主要原因还是全年冷热负荷不均。

 

  热平衡问题的解决办法

 

  根据土壤源热泵热平衡问题形成的原因可知，只依靠土壤自身的恢复，是无法保证土壤源热泵长期、可靠、高效地运行下去。要使土壤达到热平衡，即夏季排热量等于冬季吸热量，使多余的热( 冷) 量不在地下积累，保证地下土壤年平均温度不发生变化，就必须借助外部冷( 热) 源来解决热( 冷) 堆积问题。

 

  随着土壤源热泵的发展，出现了采用辅助加热或冷却的复合土壤源热泵系统。目前，工程应用中比较常用的复合土壤源热泵系统主要分为两种: 一种为在北方寒冷地区使用的太阳能辅助加热的太阳能—土壤源热泵系统; 另外一种是在夏热冬冷以冷负荷占优地区使用的以冷却塔辅助冷却的冷却塔—土壤源热泵系统。