土壤热失衡问题国内外研究现状

 目前，土壤源热泵应用中的土壤热失衡问题已逐渐引起业内人士的重视，国内外相关研究机构及学者对其进行了一定的探讨，针对冷热负荷非平衡地区，相继提出了一些调控土壤热平衡的措施，并进行了有关的研究与分析，主要研究可以分为以下4 个方面:

 

  辅助冷却混合系统

 

  这是针对夏季冷负荷大于冬季热负荷的南方气候地区而提出的利用辅助散热来解决土壤热失衡的措施。辅助散热装置包括冷却塔、冷却水池及用于冬季融雪的铺有换热盘管的桥面、路面及停车场等。ASHＲAE 首次阐述了辅助冷却混合地源热泵系统应用在大型商用及公共建筑中的优点，并给出了设计补充散热装置容量的方法［3］。

 

  Gilbreath 等用一个实例建筑作为分析对象，提出了设计冷却塔辅助混合地源热泵系统的一些建议，并试图通过对能耗、负荷需求及环路温度等的测量来建立一个检测系统性能的方法［4］。Kavanaugh等对设计补充散热装置容量的方法进行了修订，以平衡全年从土壤中的取放热量［5］。

 

  Phetteplace 等对来自一个面积为2230m2 军用基地安装的混合地源热泵系统连续22 个月运行性能的实测数据进行了分析［6］，结果表明: 释放到土壤中的热量约为取出的43 倍，在整个运行期间，热泵的能耗占77%，循环水泵、冷却塔风扇及冷却水泵能耗依次占19%、3% 与1%。Singh 等以两个实际运行的混合地源热泵系统为例对其经济性进行了探索研究，结果显示: 辅助冷却混合系统相对单独地源热泵，虽然在运行与维修费用上略高，但相比其节省的埋管钻孔费用来说要小得多，因此混合系统总的经济性很明显［7］。Chiasson等相继对以路面加热系统与浅水池作为辅助散热装置的混合地源热泵系统进行了模拟研究。Yavuzturk 等针对一栋小型办公建筑，用系统模拟的方法比较了混合系统各种控制策略的优缺点［10］。Ｒamamoorthy 等对以浅水池作为辅助散热装置的混合地源热泵系统的优化设计进行了探索性的研究［11］。Liu 等对以铺设有换热埋管的桥面作为太阳能集热器( 夏季) 及辅助散热系统( 冬季) ，以融化冬季积雪为目的的混合地源热泵系统进行了理论与试验研究［12］。Man 等针对空调为主的建筑，对以冷却塔作为辅助冷源的混合地源热泵系统进行了小时模拟，研究结果表明: 混合地源热泵系统可以有效解决热气候地区地下土壤“热堆积”问       题，并可降低系统初投资与运行费用［13］。Scott 等从全寿命周期为出发点，对冷却塔辅助混合地源系统各部件容量大小及系统控制方法进行了优化设计［14］。舒海文等针对一实际工程，利用TＲNSYS 软件对冷却塔辅助混合地源热泵系统中冷却塔与埋管换热器的不同连接方式进行了模拟计算，得出了可保证地源热泵系统长期高效运行的各种设计方案［15］。Chiasson 等针对不同建筑的负荷特性，对混合地源热泵系统进行了模拟研究和优化设计［16］。Sagia 等用一个以空调为主的办公建筑作为分析对象，对冷却塔辅助混合地源热泵系统进行了模拟计算，提出了选取冷却塔的一些建议［17］。

 

  冷凝热回收系统

 

  冷凝热回收系统是针对南方气候地区而提出的，利用冷凝热回收技术来减少排入地下热量以平衡全年土壤取放热量的措施。冷凝回收热主要用于提供生活热水或预热需要加热的空气。Cui等针对热气候地区，提出了带有热回收装置的混合地源热泵系统来平衡地下取放热率，并基于部件模型用HVACSIM + 对其进行了动态模拟计算［18］。Li 等针对长江中下游地区，提出了带有卫生热水的多功能地源热泵系统来消除地下热失衡问题，模拟计算结果显示，9年运行后土壤温度仅变化0． 3℃［19］。Yu 等针对上海一栋档案馆建筑所采用的地源热泵恒温恒湿空调系统，提出了利用冷凝热部分回收来预热空气处理机组进口空气，以减少地下排热，降低土壤热平衡问题的措施，并进行了全年运行实验研究［20］。李满峰等提出了一种地源热泵冷凝热回收系统，结合火用平衡方程建立了冷凝热回收的优化模型，并利用模型对冷凝器与地下埋管进行了优化配置［21］。

 

  胡晓伟等基于冷凝热回收系统，结合工程实例，利用CFD 工具模拟地源热泵系统长期运行时全年冷热负荷不平衡量对地温的影响，并拟合出了冷热不平衡量与土壤平均温度间的分段函数关系，进一步说明了热回收系统对冷热不平衡量控制的重要性［22］。张娟娟等提出了双冷凝器的设想，分析了一种全年均可进行热回收的地源热泵系统。

 

  结果表明，该系统能够有效解决热堆积，充分实现全年的放、取热量平衡［23］。

 

  辅助加热混合系统

 

  这是针对冬季热负荷大于夏季冷负荷的北方寒冷地区而提出的利用辅助热源来减少年均土壤取热量，以调控土壤热平衡的措施。通常采用的辅助热源是太阳能。Chiasson 等用TＲNSYS 作为模拟平台，以BLAST 负荷计算软件为基础［24］，对带有太阳能集热器辅助加热的混合地源热泵系统进行了模拟研究，并以包括芝加哥、盐湖城、丹佛及布法罗等在内具有不同气候特点的美国6 个城市为模拟地区进行了为期20 年的模拟，结果表明: 在以供暖为主的地区，带有太阳能集热器辅助的混合地源热泵系统在经济上是可行的，且具有明显的节能效果。余延顺等对哈尔滨地区太阳能－ 土壤源热泵系统供暖运行工况进行了模拟研究，得出哈尔滨地区太阳能－ 土壤源热泵系统中太阳能保证率为50% ～ 70% 左右［25］。Bi 等针对天津地区，进行了太阳能－ 土壤源热泵供暖运行性能的实验研究［26］，实验结果为: 太阳能热泵平均供热率为2334 瓦，平均供热系数为2． 73，土壤热泵的相应参数为2298 瓦和2． 83，太阳能－ 土壤热泵的相应参数为2316 瓦和2． 78。OnderOzgener 等对一用于温室加热的带有内径为32mm，埋深为50m 的垂直U 型埋管的太阳能－地热源热泵系统进行了实验与理论研究及火用分析［27］。Trillat 等针对一用于向180m2 个人住宅供暖空调及供生活热水的带有太阳能集热器辅助加热的地源热泵系统进行了实验研究，实验中太阳能集热器主要用于供生活用热水，多余的则通过U 型埋管储存于土壤中，检测结果表明: 供暖期热泵平均COP 为3． 75［28］。Han 等对带有潜热储能的太阳能－ 地源热泵系统进行了数值模拟，结果表明: 供热期系统平均COP 为3． 28，供暖初期与末期平均COP 为5． 95［29］。Kjellsson 等提出了带有太阳能集热器的复合地源热泵系统，并对集热器与地下换热器的优化运行方式进行了探讨，研究显示通过集热器向土壤回灌太阳能热量可有效减少全年埋管从地下土壤的净取热量［30］。

 

  Wang 等针对哈尔滨地区，对带有太阳能跨季节储能的太阳能－ 地源热泵系统进行了实验研究，结果表明，系统能够满足全年供冷、供热需求，且土壤温度在冬季可用储能维持在一个更高的温度水平，大大提高了冬季供热效率，其系统COP 达6． 65［31］。Yang 等对太阳能－ 地源热泵复合系统的联合与交替运行特性进行了理论与实验研究。

 

  地下土壤温度变化规律及其控制分析

 

  这主要是针对冷热负荷非平衡地区而导致地下取放热不平衡所引起的地下土壤温度逐年变化规律的分析，以期寻找解决措施。Li 等分析了不同模式下地下土壤温度变化及系统热平衡问题，指出土壤长期作为热泵冷热源的关键是要保证取放热量的平衡［35］。朱娜对不同取放热比值下地下逐年温度的变化趋势进行了分析，模拟若干年后土壤温度的变化［36］。李明通过地下土壤变化分析，提出了地能利用过程中利用热屏概念来缓解或消除用能不平衡所造成的冷热堆积现象，并对其进行了模拟计算［37］。Gao 等针对上海地区一地源热泵系统，数值模拟了两种冷热负荷不平衡率下五年运行期土壤温度的变化［38］。Fan 等针对南方气候地区地下排热远大于冬季取热的缺陷，提出了利用地下埋管土壤进行冰蓄冷的蓄冷型地源热泵系统来解决土壤热平衡问题［39］，85715 0并通过模拟对全年地下热交换进行了计算，结果表明全年土壤的净热量交换仅为总释冷量的2． 8%，因此，该系统在技术上是可行的。马娟通过模拟计算分析了不同气候地区土壤源热泵系统长期( 10 年) 运行过程中埋管进出口水温及其周围土壤平均温度的变化趋势，从而得出不同气候地区的长期运行特性［40］。Lazzari 等对双U 埋管钻孔场的长期性能进行了数值模拟，分析了不同钻孔排列方式及不同热补偿条件下运行50 年流体最低温度的变化规律［41］。王松庆等以负荷不平衡率为基础，对不同地埋管布置形式对土壤温度场的影响进行了研究，分析了土壤温度逐月变化对地源热泵系统运行效率的影响［42］。杨卫波等探讨了非连续运行条件下地埋管的换热特性，结果表明: 合理的间歇运行模式有利于埋管周围土壤温度快速恢复，从而可有效提高浅层地热能利用率，另外，土壤导热系数与热扩散率越好，其温度恢复越快［43 ～ 46］。Jung 等研究了地下水渗流的速度与方向对不同埋管形式土壤温度分布特性的影响［47］。结果表明: 地下渗流的速度与方向对估算地埋管群的布置形式有很大影响，其中地下渗流的方向性对单线埋管影响很大，其次是矩形埋管群，另外渗流速率对矩形埋管影响最大。Yang 等建立了考虑地下水渗流影响的地下管群阵列二维传热模型，分析了地下取放热不平衡率、岩土类型、埋管布置形式及地下水渗流对全年运行时地埋管区域土壤温度分布特性的影响［48］。