地源热泵系统优化分析

通过对已有工程案例的经验数据分析，旨在阐明地源热泵系统原理及应用特殊性等内容，重点针对地下土壤的热平衡理论，结合运行效果，提出增加辅助系统的混合式地源热泵系统，以满足多个工程项目对地源热泵系统的适用性及合理性要求。

近年来随着国家节能环保相关政策出台，新型能源系统应用获得极大发展，因其受资源限制因素少，应用地域广，节能效果显着等优势，已在工业和民用领域获得广泛应用。以地源热泵系统尤为突出，加之辅助系统的配合使用，使之成为替代传统能源系统的重要形式之一。

地源热泵系统（GSHP）热源来自取之不尽用之不竭的浅层地表土壤。冬季通过室外地埋侧换热将大地中的低位热能提取出来，利用热泵将温度提高，用于建筑供暖，同时将冷量蓄存于土壤中，以备夏用。夏季通过室内末端将建筑内热量借助热泵转移至地下，实现建筑降温，同时蓄存热量与既存冷量形成动态平衡，充分发挥地下土壤蓄能作用，是一种维护环境绿色节能的系统形式。

我国北方地区气候类型主要为温带季风气候和温带大陆性气候，并且受高纬度及北半球的“寒极”影响，冬季寒冷，伴随环境变化，冬季土壤换热能力下降，采用合理措施保证系统稳定运行将是技术设计需要重点解决的问题。

新型节能系统，符合我国可持续发展战略的要求。本文仅对北方寒冷地区应用地源热泵的相关问题进行简单讨论，通过交流，希望能为类似工程提供一定帮助。

地源热泵系统运行效果取决于室外地埋侧换热器的换热情况，通常其影响因素主要为土壤热平衡状况、自然环境条件、换热管内工作流体性质等。

1 土壤热平衡状况

土壤热平衡本质是动态的实时变化的，其过程中受诸多因素影响，如当地多年气候分布、土壤构成情况、地下水分布变化、冬夏负荷情况等均会改变当地土壤热量平衡分布曲线，当冬夏负荷相差大时曲线波动尤为明显。

综合以上因素并结合GSHP自身特点，其适用地域为冬夏气候分明且负荷相当的地区，尤其适用于同时存在冬夏负荷需求的工程项目。

北方地区冬季寒冷供热负荷大于夏季供冷负荷，导致热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量，致使冷量积累土壤温度逐年降低，造成地源热泵机组蒸发器侧取热困难，蒸发温度供热量下降，同时压缩机耗电量提高，COP下降。通常，机组蒸发温度相对额定温度降低1℃，机组的制热功耗将增加3%。

对于南方地区夏季炎热空调冷负荷大于冬季供暖负荷，导致热泵向地下土壤的放热量大于冬季自土壤的吸热量，致使热量积累土壤温度逐年升高，造成地源热泵机组冷凝器侧放热困难，冷凝温度升高、制冷量下降，同时压缩机功率提高，EER下降。因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。

常见地埋管形式为水平埋管和垂直埋管，一般水平埋管埋深较浅，在地表15～20m区域内，此深度范围的土壤受室外自然环境影响显着，呈现年变化季节分布，通常夏季时土壤换热系数要高于冬季值，但相对垂直埋管系统的换热系数要低。垂直埋管埋深多在80～100m，土壤温度波动很小，基本恒定，可按照高于历年平均温度1.5℃计算，根据实际工程经验，当冬夏负荷相差较多时，很容易造成热量失衡，导致土壤换热效果变差，为保证系统稳定需要采取辅助系统，解决热量失衡问题，至此类似系统称为混合式地源热泵系统。

常用方法为太阳能集热器辅助加热（适用于北方地区，多用于提供生活热水）、冷却塔辅助散热（适用于南方地区）、电锅炉辅助加热（适用于小规模冬季极寒系统），混合式地源热泵系统建设初期投资成本增加，但与单独的GSHP相比，具有调节灵活和运行费降低等优点。

2 土壤冻结对埋管换热器传热的影响

在北方寒冷地区，地埋侧换热器内液体温度较低，在年极端天气情况下若周围土壤换热效果差甚至会出现冻结的危险，土壤换热受岩土类型、地下水分布、土壤常年温度分布、土壤含水率等诸多因素影响，其中土壤含水率对换热量影响较为直接。当土壤中由于换热导致水份冻结时，随着相态变化，有大量潜热放出，在换热量相同情况下，温度降低幅度小，可保证换热器周围土壤温度较高。反之，则土壤温度较低。由于工程的不确定性，即使选用先进测量仪器，受试验季节时间影响，也无法获得最准确的数值，若未能充分考虑土壤中水份冻结的影响，计算得出地下埋管周围的温度场偏低，且随含水率增大偏差越大，因此设计时应予以考虑。鉴于工程设计计算中多采用安全余量或保守的计算方式，对有关岩土冻结和其计算方法方面的研究有限，无论采用模型计算理论或经验估算方式，尽管在计算结果上存在差异，但可以肯定土壤冻结对地下埋管换热是有利的。

3 埋管内工作流体参数影响

目前常用经软化的自来水作为地源热泵系统的工作流体，水是理想载热流体，适用工况多，热熔性好，气液相态区间温度可满足多种用途。在南方地区，土壤温度较高，换热管内水温在O～C以上，不存在冻结可能，无需考虑防冻。在北方地区，由于地下埋管进水温度较低，换热效果差将导致换热管内水的冻结危险，即使在最初设计中无具体说明，根据系统运行效果，一旦出现以上情况，需要及时添加防冻剂。选择防冻剂的原则为：使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。添加防冻剂后的介质动力粘度增大，使得流动状态维持难度加大。经计算在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。紊流和层流为流体两种不同的两种流动状态，所谓临界状态即为Re（雷诺数）=2000时的流动情况。当Re（雷诺数）>2000时，为紊流，此状态下换热系数大效果好，由以上临界流速比可知，采用CaCl和乙二醇水溶液时，为保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量，即运动阻力较大。

将目前常用防冻剂做如下比较：（以冰点-5℃，1标准大气压为准）

通过以上表格介绍，可对防冻剂的性质简单了解。同时为避免工作流体冻结导致系统无法使用危险发生，其他解决办法增加电加热设备，提高工作流体温度。

4 结语

地源热泵系统是目前发展较为完善的节能系统，在其发展过程中不断吸收完善新的技术，以适应越来越多工况环境要求，通常南方地区条件适宜对系统建设没有诸多限制因素，在寒冷北方地区，系统建设时要考虑地下土壤热平衡问题，冻结问题等因素，从保证换热器管内工作介质流态、换热效果、系统稳定性角度考虑，采取防冻液、辅助电加热、太阳能系统等措施，可有效提高系统运行效果，利于运行。