土壤源热泵系统地下热平衡问题分析杨卫波扬州大学能源与动力
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
学院2009年11月于天津E－mail:yangwb2004@163.comTel:13665227437报告提纲问题提出的背景地下热平衡问题产生的原因地下热平衡对土壤温度分布的影响地下热平衡对生态环境的影响地下热平衡的解决
措施
《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施
结论问题提出的背景土壤源热泵目前非常火热政府宣传、产品生产商、房屋建筑商及研究学者认识上存在误区简单的浅层地热能利用技术设计上存在问题工程简化计算，忽视或未精确考虑热平衡大面积管群阵列式土壤源热泵工程日益增多冷热不平衡自身难以消除，会导致“热堆积”地下热平衡问题的原因冷热负荷差异——地下热平衡问题的根源（客观因素）全年冷热负荷差别大，导致地下年均取放热量不平衡，形成“热堆积”。设计问题——地下热平衡问题人为因素（设计阶段）地下埋管群的排列与布置不合理，单根埋管的体形系数不足。施工问题——地下热平衡问题人为因素（施工阶段）不按设计要求来施工运行管理问题——地下热平衡问题人为因素（运行阶段）不按设计要求来控制与调节系统，造成负荷调峰措施失效地下热平衡问题对土壤温度分布的影响计算区域管群平面布置图运行模式运行采用白天10h运行、夜间14h恢复的间歇运行方式;对于空调为主的建筑为：夏季先放热150d后，过渡季恢复60d，然后冬季吸热90d，最后再恢复60d，完成全年运行过程;对于采暖为主的建筑为：夏季先放热90天后，过渡季恢复60d，然后采暖季吸热150d，最后再恢复60d，从而完成全年运行过程。计算结果夏季放热大于冬季吸热情况夏季放热150d后土壤温度分布/℃运行一年后土壤温度分布/℃运行10年后土壤温度分布/℃埋管区中心温度随运行时间变化冬季吸热大于夏季放热情况冬季吸热150d后土壤温度分布/℃运行一年后土壤温度分布/℃运行10年后土壤温度分布/℃埋管区中心温度随运行时间变化地下热平衡对局部生态环境的影响生态系统是指一定空间中的生物群落与环境组成的系统，其中各成员借助能量和物质循环形成一个有组织的功能复合体，任何一个子成员能量与物质的改变都会破坏原有生态系统的正常循环。由于零污染物排放及对外界大气无“冷、热污染”的技术优点，土壤源热泵一直被业界认同为一种环保型能源利用设备，而不会对生态系统造成任何影响，但这是在全年冬夏取放量相等的条件下才成为可能，对于由于热平衡问题所引起的热堆积而造成的土壤温度变化及其对生态环境带来的影响，一直没有受到重视。对大地热流的影响已有研究
表
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明：各地生态环境的优劣与区域大地热流有密切的关系，通常大地热流较高的地区生态体系发育较好，生态环境优越；而大地热流较低的地区生态环境比较恶劣。大地热流的高低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限（即温度下限），可能制约了一些地区生态系统物种的多样性，进而影响到区域生态系统的稳健性。同时，大地热流的脉动还影响区域大气系统下垫面的热力背景和气流运动，从而影响降水的分布和区域气候的干湿程度。对生物生长的影响温度是影响生物生长发育最重要的因素之一，任何生物都会有其对应的生命活动过程中所要求的最低温度、最适温度以及最高温度，热失衡会导致土壤温度的逐年持续升高或降低，一旦其超过原有生物活动所要求的三基温度，则必然会导致某些生物群落的灭亡，引起生物种类的重新分布，最终影响到整个区域生态环境的变化。地下热平衡的解决措施纠正对土壤源热泵认识——解决地下热平衡的意识问题正确认识与理解土壤源热泵的实质——以地下土壤作为蓄能体的地下蓄能及再利用系统，应把地下当作蓄能体来使用。系统热平衡的校核计算系统设计前应对拟建项目进行全年动态负荷计算及至少一年的地下埋管区土壤温度场的数值模拟，掌握全年负荷特征及地下土壤温度的变化趋势，并考虑过渡季及间歇运行时土壤温度恢复情况。在此基础上，以年为时间尺度，以土壤温度复原作为
评价
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基准，来对地下埋管的深度、数量及间距进行优化设计。辅助冷热源的设置与控制冬夏两季负荷差距较大地区，应考虑加装辅助冷热源设备，以减小或消除地下埋管取放热量的不平衡率。北方地区，可以夏季负荷来设计埋管长度，并辅以锅炉或太阳能集热器作为补充热源。南方地区，则可以冬季负荷来计算埋管长度，并采用辅助冷却塔或热回收技术来减少系统对土壤的排热量。通过全年动态模拟来得出辅助冷热源设备的开启条件及时间。埋管的合理设计、运行调控及其监控地下埋管排列布置的优化设计主要是对单根埋管所包含蓄能体的体形系数的优化；地下蓄能与释能过程的合理调控基于地热能利用中的时空效应，通过改变蓄存能量作用于蓄能体中的时间、空间及强度来控制蓄能与释能过程，从而实现能量在蓄能体中的再分布，以利于聚集能量的及时扩散，避免热堆积现象的发生。蓄能结束时蓄能结束恢复后蓄能结束土壤温度分布释能结束时释能结束恢复后均匀释能模式土壤温度分布释能结束时释能结束恢复后内强外弱释能模式土壤温度分布释能结束时释能结束恢复后外强内弱释能模式土壤温度分布释能结束时释能结束恢复后先内后外释能模式土壤温度分布释能结束时释能结束恢复后先外后内释能模式土壤温度分布（1）从能源有效利用的角度考虑（防止热扩散）外强内弱模式优于内强外弱模式，先内后外模式优于先外后内模式。（2）从土壤热平衡角度考虑（强化热扩散）内强外弱模式优于外强内弱模式，先外后内模式优于先内后外模式埋管区域土壤温度变化的监控在埋管区土壤关键位置设置温度传感器，及时监控土壤温度的变化，一旦温度超过设定置时，可以开启辅助调峰设备，避免热堆积。规范化的运行管理——最后环节加强和规范对土壤源热泵系统的运行管理，是落实前期优化设计措施、解决热失衡问题的最后环节，也是最不可忽视的一个环节。应对管理人员进行相关的培训，并制定管理规范。结论地下热平衡问题在土壤源热泵系统设计与使用过程中必须受到足够重视，一个不考虑热平衡
方案
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的设计是一个不完善甚至是冒险的设计，尤其对于目前应用较多的大面积密集布置管群阵列式土壤源热泵系统，长期运行后不仅会出现效率低下，而且还会对生态环境造成难以预测的影响。因此，土壤源热泵设计前必须对热平衡问题做好方案设计与环境影响评价。地下热平衡问题作为土壤源热泵应用上的一个技术难题，完全可以在正确认识土壤源热泵工作原理实质的基础上，通过前期的优化设计与后期规范化的运行管理来缓解与解决，这可以通过业内的正确宣传及设计部门、施工部门与运行管理部门的共同配合来实现。谢谢大家！
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