介紹地源熱泵地下熱能失衡與太陽能補熱方法

0前言 　　地源熱泵采暖技術其節(jié)能環(huán)保性受到廣大用戶的青睞。可是近年部分地源熱泵項目出現(xiàn)了地下熱量失衡的嚴重問題，給地源熱泵推廣蒙上了陰影，本文針對此問題進行探討，為廣大同仁分享一些解決辦法。 　　1地下?lián)Q熱鉆井施工 　　由于各地區(qū)地質(zhì)千差萬別，地下物質(zhì)導熱系數(shù)相差懸殊，沒有統(tǒng)一計算方式，鉆勘探井測試地質(zhì)導熱系數(shù)，只能計算相對較短時間內(nèi)地質(zhì)放熱系數(shù)，幾乎無法預算熱泵運行多年后結(jié)果，憑借多年的施工經(jīng)驗及參考地源熱泵成功案例非常重要。 　　1.1鉆井間距 　　地埋管式換熱系統(tǒng)國家標準及規(guī)范中指出地下?lián)Q熱系統(tǒng)中對鉆井間距為4~6m，考慮到成本及占地面積，一般工程施工時鉆井間距≤4m。 　　換熱井與井之間的地質(zhì)就是蓄熱空間，決定地埋管換熱系統(tǒng)取熱的年限，假如在3年期間換熱井之間溫度短路區(qū)易發(fā)生短路現(xiàn)象，該系統(tǒng)很快進入地下溫度失衡狀態(tài)，造成系統(tǒng)能效比下降甚至無法運行。熱泵在冬季長時間處在取熱狀態(tài)，每口井周圍溫度在逐漸降低，特別是地下流層不豐富甚至沒有流層的地況，換熱井間距大小直接影響井與井之間溫度短路時間。如圖1所示。   　　1.2鉆井群形狀 　　地下?lián)Q熱系統(tǒng)設計人員主要考慮便于管網(wǎng)連接及連接機房距離，大部分采暖工程在鉆井施工時，把所有換熱井口集中到一起，大型采暖項目需鉆井數(shù)量非常龐大，地下?lián)Q熱井會形成井群。特別是圓形或方形井群如果井間距過小容易造成嚴重取熱不足，井群中心呈擴散狀，中心位置溫度區(qū)溫度很低，幾年后可能低于0℃。前幾年運行的地源熱泵項目，部分出現(xiàn)井水溫度過低現(xiàn)象，甚至機組無法運行。如圖2所示。 圖2集中式換熱井群 　　2合格的地埋管式換熱系統(tǒng) 　　根據(jù)現(xiàn)場情況，盡量加大換熱井距離，4口井間做不對稱形狀，井間距需≥4m。大中型地源熱泵項目，地下連接管網(wǎng)龐大，地下主管道間距需≥1m，以減少大量進出水主管道間熱量短路現(xiàn)象。管網(wǎng)埋設深度，北京地區(qū)凍層0.8m左右，管網(wǎng)應埋設在低于凍層以下1m處，盡量減少主管道對地層的熱損。如圖3、圖4 所示。 　　2.1換熱井群形狀設計 　　一般采暖面積＜2000m2的項目，換熱井數(shù)量相對較少，小型換熱井群周圍蓄熱空間龐大，一般不考慮井群形狀。數(shù)量超過50口以上，且較集中的換熱井群，需注意井群形狀問題。一般換熱井群俯瞰以細長狀為宜，外形為L、T 或X 型均可。最大限度減小換熱井群數(shù)量，避免大型換熱井群堆積造成井群中心出現(xiàn)低溫度區(qū)。如圖5所示。 　　2.2地下能量失衡及解決方法 　　由于大地傳熱性惰性較大，溫度降低或上升不能短時間內(nèi)回復原來溫度范圍，采暖項目在冬季利用熱泵技術提取地下熱能，春、夏、秋季為地下熱能恢復期，一般中小型工程只要換熱井數(shù)量設計充足，在經(jīng)過三季漫長過程中是可以回復原來溫度范圍的。增加夏季制冷功能，該功能是向地下放熱過程，有利于地下溫度恢復。 　　大中型采暖項目，特別是冬季采暖期遠長于夏季制冷期，長時間提取地下熱能，部分地區(qū)會出現(xiàn)地下熱能失衡現(xiàn)象，地下不豐富流層地質(zhì)尤為突出，換熱井群形成局部低溫環(huán)境。幾年后容易造成熱泵運行費用劇增，甚至無法正常運行。 　　我國北方采暖期長于制冷期，地下熱能失衡是無法避免的。除了合理的設計換熱井的距離、數(shù)量及井群形狀之外，還可以利用太陽能跨季節(jié)蓄熱技術來彌補地下虧損熱能。 　　太陽能跨季節(jié)蓄熱技術已成熟，他不僅可以解決現(xiàn)有的地源熱泵地下失衡問題，還可以為早期因地下熱能失衡問題失敗的地源熱泵案例恢復其功能。 　　不過為地下補充熱量也應經(jīng)過嚴格計算，地下補熱過盛也是熱量失衡的表現(xiàn)，由于地源熱泵設備對熱源要求溫度不能過高，所以太陽能補熱溫度太高也會造成熱泵設備不能正常工作。如圖6所示。 　　3結(jié)論 　　在采暖季長于制冷季的地區(qū)，利用地埋管式換熱系統(tǒng)的采暖技術，最嚴重的問題就是地下熱量失衡。它會使井水溫度過低，熱泵機組運行效率低下甚至無法運行。地下熱量失衡地區(qū)一般地質(zhì)相對閉塞，地下流體不活躍及流體分布少甚至沒有流體，地質(zhì)相對濕度較小，這種地質(zhì)做地源項目容易發(fā)生地下熱量失衡問題，可此種地質(zhì)對采用太陽能跨季節(jié)蓄熱技術是有利的。 　　該技術已為幾家前幾年運行的因地下熱量失衡問題無法正常運行的地源熱泵系統(tǒng)，增加了跨季節(jié)蓄熱功能，徹底解決了熱量失衡問題。 　　跨季節(jié)蓄熱技術太陽能集熱面積概算：根據(jù)當?shù)夭膳九c制冷季相差天數(shù)，計算多出天數(shù)的負荷應為每季所需補充熱量。太陽能產(chǎn)出熱能計算：夏季約600W/（m2/h）；春、秋季約300W/（m2/h）。（天普新能源科技有限公司/劉文慶）