地温可恢复性对土壤源热泵运行的影响
地源热泵土壤温度
地源热泵土壤温度1. 引言地源热泵系统是一种利用地下土壤、地下水或地表水的稳定温度来进行空调和供暖的能源系统。
其中，土壤温度是地源热泵系统运行的重要参数之一。
本文将详细介绍地源热泵系统中土壤温度的相关知识。
2. 土壤温度对地源热泵系统的影响土壤温度是地源热泵系统的重要输入参数，对其运行效果和能耗水平有着直接影响。
以下是土壤温度对地源热泵系统的几方面影响：2.1 系统效能土壤温度直接影响着地源热泵系统的效能。
通常情况下，较高的土壤温度会提高系统的制冷性能，而较低的土壤温度则会提高系统的供暖性能。
因此，在设计和选择地源热泵系统时，需要考虑当地的气候条件和土壤特性，以确定最适宜的工作参数。
2.2 土壤换热系数土壤换热系数是描述土壤传热性能的参数，其值与土壤温度密切相关。
一般来说，土壤温度越高，土壤换热系数越大，地源热泵系统的传热效果也会更好。
因此，在选择地源热泵系统的安装位置时，需要考虑土壤温度的分布情况，以获得更高的换热系数。
2.3 土壤稳定性地源热泵系统需要将热量从土壤中吸收或释放，并且要求土壤具有一定的稳定性。
土壤温度的变化会影响地源热泵系统的运行稳定性。
若土壤温度变化较小，则可以提高系统的可靠性和稳定性。
3. 土壤温度测量方法为了准确获取土壤温度信息，需要选择合适的测量方法。
以下是常见的几种测量方法：3.1 温探管法温探管法是一种常用且精确的测量方法。
该方法通过将温探管埋入不同深度的土层中，并通过传感器记录温度数据，从而获取不同深度处的土壤温度分布情况。
3.2 热板法热板法是一种通过测量土壤表面温度来推算土壤温度的方法。
该方法适用于测量较浅层土壤温度，通过在土壤表面放置热板，并记录其表面温度变化，可以间接获取土壤温度信息。
3.3 热流法热流法是一种通过测量地下热流来推算土壤温度的方法。
该方法适用于深层土壤温度的测量，通过埋设传感器并记录地下热流数据，可以计算得到不同深度处的土壤温度。
4. 土壤温度的季节变化特点土壤温度随季节变化呈现出一定的规律性。
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析杨卫波1 陈振乾2 刘光远1(1.扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州 225009；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096)摘要为了探讨土壤源热泵系统地下热平衡问题对土壤温度分布及生态环境的影响，在分析地下热平衡问题产生原因的基础上，以一管群阵列为例，通过模拟计算探讨了不同负荷不平衡率下、在不同运行时间内地下土壤温度的分布状况及其变化趋势，分析了地下热平衡对大地热流及生物生长的影响，并提出了解决地下热平衡问题的方案，所得结论与方法可为土壤源热泵系统的健康发展提供参考。
关键词土壤源热泵 地下热平衡 生态环境 解决方案ANALYSIS ON THE GROUND HEAT BALANCE OF GROUNDCOUPLED HEAT PUMP SYSTEMYang Weibo1Chen Zhenqian2 Liu Guangyuan1(1.School of Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009; 2. School of Energy andEnvironment, Southeast University, Nanjing 210096 )Abstract In order to discuss the effects of ground heat balance of ground coupled heat pump system(GCHPS) on the ground temperature distribution and ecological environment, the reasons of ground heat imbalance are analyzed, the simulation calculation of a ground heat exchangers group array is carried out to find out the ground temperature distribution and variation trend under different various operation time and unbalance rate of load, the influences of ground heat balance on ground heat flux and biology growth are analyzed, some solutions are also presented to solve the ground heat balance. The results and methods obtained in this paper can provide references for the right development of GCHPS.Keywords Ground coupled heat pump Ground heat balance Ecological environment Solutions0 前言近些年，以浅层土壤热能作为热泵冷热源的既可供暖又可空调及供生活热水的土壤源热泵技术在国际供热制冷界得到了迅速发展，且成为国际上公认的最具发展潜力的采暖空调技术之一。
地源热泵系统
地源热泵系统0 前言与太阳能或地热能一样，地表热能储量十分丰富；而且地表热能不受时间、季节、地域的限制，分布面广而且相对均匀，更具有可再生性。
地源热泵技术就是地表热能利用开发的最典型的例子。
它利用地球表面浅层土壤或水源中的地热能作为冷热源，冬季通过热泵机组将地热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地球土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季供冷。
GSHP系统按照热源（热汇）不同，大致可以分为如下三种形式： GSHP系统（ground source heat pump）、GWHP系统（ground water heat pump）和SWHP系统（surface water heat pump），其中GWHP系统由于无法较好地解决地下水的回灌问题，在一定程度上影响了系统的进一步推广。
相比而言，随着钻井技术、土壤热性能研究的不断深入，GSHP系统的应用越来越广泛。
GSHP系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。
GSHP空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷回路和地下换热器回路。
根据需要也可以增加第四个回路－生活热水回路。
1 地源热泵系统研究现状1.1国外研究状况土壤源热泵在国外起步较早，这要追溯到1912年瑞士的一个专利，其发展大致可以分为以下三个阶段：第一阶段，1912年，瑞士人佐伊利(H.ZOELLY)提出了利用土壤作为热泵热源的专利设想，但是，直到二战结束后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的研究与开发，这一阶段主要是对土壤源热泵进行了一系列基础性的实验研究，包括土壤源热泵运行的实验研究，埋地盘管的实验研究，埋地盘管的数学模型的建立，同时也对土壤的热流理论方面作过研究，如开尔文线源理论；然而，由于土壤源热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的研究高潮持续到20世纪50年代中期便基本停止了。
土壤源热泵系统的热平衡问题
土壤源热泵系统的热平衡问题马宏权 龙惟定（同济大学）摘 要 本文分析了土壤源热泵热平衡问题的由来与影响，提出了解决该问题的技术思路，并结合几个项目的问题分析和实测讨论了对解决该问题有利的系统的设计原则和运行模式。
关键词 地源热泵 热平衡 优化设计1 引言土壤源热泵系统（ground-coupled heat pump ）的研究和项目实施是我国地源热泵系统（Ground Source Heat Pump ）三种形式中开始最晚的一种，其造价和运行费用相对也较地下水（underground water Heat Pump ）和地表水地源热泵系统（surface water Heat Pump ）要稍高。
但这些都并不能妨碍土壤源热泵成为迅速发展的一支力量，原因在于土壤源热泵采用土壤换热器内循环水换取土壤中贮存的温差能，没有对自然水源的开采要求和污染的担心，因此适用性更广，安全稳定性更高，尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的空调冷热源解决思路。
我国的土壤源热泵系统数量和规模近年来不断增大，全国已经有多个数十万平米的土壤源热泵项目在建。
与欧美土壤源热泵主要是布置水平埋管式土壤换热器，通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同，我国的土壤源热泵系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公建筑，土壤换热器一般采用在一定区域内密集布置的垂直单U 或双U 型土壤换热器群，或者利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置土壤换热器群。
这样普遍采用的密集型垂直埋管群和不断增大的土壤源热泵规模使得土壤换热器埋管范围内的土壤热平衡问题得到了越来越多的担心。
作者简介马宏权，男，1979年1月生，在读博士研究生 201804 上海市曹安公路4800号同济大学嘉定校区13-306信箱 （021）69584901E-mail: mhqtj@ 2 土壤热平衡问题的由来与影响土壤源热泵依靠土壤换热器（underground heat exchanger ）从地下土壤中提取温差能，热泵机组的热源和热汇是扩散半径范围内的土壤，因此全年运行的土壤源热泵系统需要考虑全年时从土壤取放热量的平衡问题，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。
土壤源热泵的工作原理
土壤源热泵的工作原理
土壤源热泵是一种利用土壤中储存的地热能来进行供暖和制冷的设备，其工作原理如下：
1. 土壤换热：土壤层具有较稳定的温度，在地下深处温度较高。
土壤源热泵通过地下埋设的热交换器，将土壤中的热能传递给热泵系统。
2. 系统循环：土壤源热泵系统中包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等组件。
在循环过程中，制冷剂在低温低压状态下进入蒸发器，与地下的温暖土壤交换热量，使制冷剂汽化吸收热量。
3. 压缩和冷凝：经过蒸发器后，制冷剂被压缩机压缩，使其温度和压力升高。
高温高压的制冷剂进入冷凝器，与室内的冷热源交换热量，释放出热能。
4. 膨胀阀和回流：经过冷凝器后，制冷剂通过膨胀阀进入低温低压状态，重新进入蒸发器循环，开始下一轮热交换。
通过这样的循环过程，土壤源热泵能够利用土壤中的地热能源，将地下储存的热能转化为供暖和制冷所需的热能。
这种方式不受气候的影响，且能够节约能源、环保节地，逐渐受到人们的关注和采用。
土壤源热泵制冷制热效率
土壤源热泵制冷制热效率
土壤源热泵是一种利用土壤中的热能进行制冷和制热的设备。
它通过地下管道将土壤中的热能传递到室内，实现室内温度的调节。
相比传统的空调和暖气系统，土壤源热泵具有更高的能效和更低的运行成本。
土壤源热泵的制冷效率主要取决于室内外温差和土壤温度。
在夏季高温时，室内温度较高，而土壤温度相对较低，因此土壤源热泵可以将室内的热量传递到土壤中，实现制冷效果。
与传统的空调系统相比，土壤源热泵的制冷效率更高，能够节省大量的能源和运行成本。
土壤源热泵的制热效率也非常高。
在冬季寒冷时，室内温度较低，而土壤温度相对较高，因此土壤源热泵可以将土壤中的热能传递到室内，实现制热效果。
与传统的暖气系统相比，土壤源热泵的制热效率更高，能够节省大量的能源和运行成本。
除了高效节能的优点，土壤源热泵还具有环保的特点。
它不会产生任何有害气体和废水，对环境没有任何污染。
同时，土壤源热泵的使用寿命也非常长，可以达到20年以上，减少了设备更换的频率和成本。
土壤源热泵是一种高效节能、环保可靠的制冷制热设备。
它可以有效地降低能源消耗和运行成本，为人们提供更加舒适、健康的室内
环境。
随着技术的不断发展和应用的推广，相信土壤源热泵将会在未来得到更广泛的应用和推广。
简析土壤源热泵系统热平衡问题
简析土壤源热泵系统热平衡问题1前言土壤源热泵利用地下土壤作为吸热与排热的场所，夏季将室内余热取出排至地下储存以备冬用，冬季从地下取热供给房间后储存冷量以备夏用。
因此，更确切地说，土壤源热泵是一种以地下土壤作为蓄能体的地下蓄能及再利用系统，而并非单纯的地热能利用技术，这是目前业内普遍存在的对土壤源热泵认识上的一个误区。
要保持土壤源热泵系统长期高效运行，就必须保证全年内冬夏季土壤取放热量的平衡，从而可实现土壤能量在以年为周期时的自我恢复。
2土壤源热泵系统土壤热平衡问题原因分析2.1冷热负荷不平衡我国幅员辽阔，各地区气候差异较大，很多地区建筑物全年冷、热负荷差异很大，导致土壤源热泵系统冬季从土壤中提取的热量和夏季释放到土壤中的热量难以平衡，因此，土壤源热泵在应用时若不采取措施，而是直接根据需求量取热和放热用以满足冬夏负荷需求，必然会导致土壤温度偏离其原始温度，即土壤热不平衡现象，导致系统性能下降。
在北方地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，热泵从土壤中提取的热量大于夏季向土壤中释放的热量，导致土壤温度降低，机组蒸发温度降低，系统耗功量增加，供热量减少，热泵的循环性能系数COP降低；在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，热泵向土壤中释放的热量大于冬季从土壤中提取的热量，导致土壤温度升高，机组冷凝温度升高，系统耗功量增加，制冷量减少，热泵的能效比EER降低。
因此，土壤源热泵适用于冬夏冷热负荷相差不大的地区，根据实测和理论计算，一般情况下，建议冬夏向土壤的吸排热量相差不大于20%为好。
2.2设计不合理国外在应用土壤源热泵时，多是在单体别墅的设计中，地埋管敷设面积不大，对于这种少量埋管来说，合理的管间距完全可以满足依靠土壤自身的热扩散使得多余的冷热量得以平衡，但对于我国目前土壤源热泵大多应用在较大面积公共建筑中，地埋管密集布置，大面积管群长期运行，管群中心处的热量难以传递出去，各埋管间必然产生热干扰，使得一个运行周期中从土壤中提取和释放热量的不平衡，在运行间歇期间土壤温度无法恢复原始值，土壤温度逐年持续上升或下降，系统运行效率降低。
土壤热源热泵
土壤热源热泵
土壤热源热泵是一种利用地下土壤中的热量作为热源或冷源来进行能量转换的设备。
它通过高效热泵机组，将地下土壤中的低位热能提取出来，为建筑物供热或供冷。
土壤热源热泵的原理是利用土壤的蓄热性能和温度相对稳定的特性。
在冬季，热泵从地下土壤中吸收热量，通过循环系统将热量传递给建筑物内部的采暖系统，为建筑物供暖；在夏季，热泵将建筑物的热量吸收后排放到地下土壤中，利用土壤的蓄冷性能为建筑物降温。
土壤热源热泵的优点包括：
1.利用地下土壤的稳定温度特性，使得供暖和供冷的效果更加稳定可靠。
2.相对于传统空调系统，土壤热源热泵的能效比更高，运行费用更低。
3.土壤热源热泵技术环保，不产生任何有害物质，对环境无污染。
4.土壤热源热泵系统结构简单，安装方便，维护成本低。
然而，土壤热源热泵也存在一些局限性，例如在寒冷或炎热的极端气候条件下，地下土壤的温度可能会影响到热泵的效率。
此外，土壤的热传导效率也会受到土壤性质、地下水位等因素的影响。
因此，在实际应用中，需要根据当地的气候条件和土壤特性进行合理的系统设计和优化。
总的来说，土壤热源热泵是一种高效、环保、经济的供暖和供冷技术，尤其适用于那些需要大量供暖和供冷的建筑物，例如住宅、办公楼、工厂等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
地温可恢复性对土壤源热泵运行的影响Ξ范萍萍1) 端木琳1) 舒海文1) 王学龙2) 1)(大连理工大学) 2)(建设部沈阳热力燃气研究设计院)摘 要 在地源热泵运行过程中,利用间歇过程,弥补土壤传热慢的缺陷。
土壤源热泵间歇运行时间可以改变土壤温度的变化规律,增强传热并实现更佳的热泵运行工况。
实验是在冬季运行工况下进行的,着重对间歇运行条件下地温变化趋势进行研究。
关键词 地能 地温恢复 土壤源热泵 间歇运行Impact of ground temperature restorative characteristics onground source heat pumpFan Pingping1) Duan Mulin1) Shu Haiwen1) Wang Xuelong2) 1)(Dalian Unversity of Technology) 2)(Shenyang G as&Heat Research and Design Institute of Construction Ministry)ABSTRACT Certificated that in ground source heat pump(GSHP)of geothermal energy uti2 lization system,a concept of intermittent process(GSHP on or off)was proposed to restore un2 derground temperature and compensate insufficient rock heat transfer.And changed the in tem2 perature variety regulation and trend.Intensify the heat transfer and good work condition of heat pump.More2over,the investigation on the trend of restorative ground temperature in the intermittent processwas emphasized in winter test.KE Y WOR DS geothermal energy;ground temperature restoration;ground source heat pump;intermittent movement 地下浅层蕴藏着巨大的低品位能量,成为有待充分利用的清洁可再生自然能量资源。
由于它具有常年温度稳定的特点,是热泵理想的热源形式。
然而,以土壤源为主体的地能系统,由于其传热能力较弱,需要较大的换热面积和占地面积,设备的初投资较大,制约了该项技术的发展。
因此,研究者们提出可控间歇运行的思想[1]。
间歇概念是根据在建筑环境中供热供冷系统机组运行具有间断性的特点和地温的可恢复性提出的高效利用地能的有效措施。
通过人为合理地控制热泵机组的间歇运行,能够强化传热过程。
如能充分利用间歇弥补地下传热慢的不足,就能实现充分换热,最大限度地减少埋地换热器的钻孔数,降低其初投资。
地下埋管换热器的换热井内间歇性恢复过程可以改变其温度变化趋势,提高低平衡稳定温度,使热泵机组在理想的工况下工作。
对于吸热井的温降或放热井的温升,热泵机组的运行状况主要受其温降的最低温度范围和温升的最高温度范围的影响。
控制热泵机组进出口理想的温度是其高效运行的重要保证。
为此,本试验在可控间歇运行的理论基础上制定合理的运行方案,对土壤源热泵冬季运行工况进行实验研究[122]。
1 试验系统本实验温度测量全部采用PT100铜2康铜热电阻,允许误差为±0.5℃,所有参数测点全部引入采控系统,实行不间断自动采集和控制,并自动第6卷 第1期 2006年2月 制冷与空调 REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN G79282Ξ辽宁省教育厅高等学校科学研究项目(2024001198) 收稿日期:2005205225 通讯作者:范萍萍,Email:fppxz@存储数据。
温度的测试主要是地下埋管管壁温度测试、水温测试。
①地下埋管实验系统共9根地下埋管,在75m埋深和50m埋深的地下埋管管壁的测点布置都是每隔10m一个测点,而25m埋深为每隔5m一个测点,其中在75m埋深的井中在埋管上埋有两组热电偶。
②本实验所测水温主要是地下埋管进出口水温和热泵机组进出口水温。
图1 温度测点布置示意图2 实验研究因土壤源热泵受土质和气候情况的影响很大,在此,以大连的土质和气候情况进行实验研究,土壤的特性参数如表1。
表1 土壤的特性参数参数第一层第二层类别砂土砂岩厚度/m0～55～75导热系数/(W/(m・℃)) 1.6 4.4比热容×密度/(106J/(m3・℃)) 1.4 3.562.1 数据处理各测试日内的瞬时平均换热量的计算公式:Q=ρc p vΔt=ρc p v(t i-t o)(1)式中:Q为埋管换热器在各测试日内的瞬时平均换热量(kW);ρ为循环流体密度(kg/m3);c p为循环流体比热容(kJ/(kg・℃));v为U型埋管换热器内的水流量(m3/s);t o为在各测试日内的U型管出水平均温度(℃);t i为在各测试日内的U型管进水平均温度(℃)。
地下埋管换热器单位埋深的换热量计算公式:q l=Q×1000l(2)式中:q l为单位井深的换热量(W/m);l为竖井深度(m)。
2.2 结果分析根据已有运行经验,在供暖季节,通常热泵机组在首开机时运行3～4小时达到稳定状态[4]。
因此,结合实际供暖需求及热泵机组的运行状况,采用间歇运行技术,弥补地下换热缓慢的不足,恢复换热井温,提高综合效率。
本实验以24小时为一个周期,人为控制开停机的时间为1∶1和2∶5[324],24小时间歇运行实验从2005年3月16日测试到3月19日。
以下实验数据均为实测结果。
2.2.1 热泵进出口水温的变化本实验采用的热泵机组正常运行时,出口温度不能低于4℃,当低于这个温度时热泵将停止运行。
因此,在保证满足用户负荷需求的基础上,尽量提高进、出口稳定温度,保证热泵在理想工况下运行。
・8・ 制 冷 与 空 调 第6卷 从图2和3可以看出,在间歇运行工况下,热泵的进、出口水温稳定在一个较高的温度,有利于机组在理想的工况下运行。
图2 热泵机组进口水温图3 热泵机组出口水温2.2.2 地下埋管换热器壁温变化地下埋管管壁温度每隔5min 记录一次,从图4～6可以看出地温的恢复状况。
这种间歇运行工况对地温的恢复是十分有利的,运行5小时后停机,管壁的温度经过5小时左右恢复到与初始状态相差0.2℃,机组继续运行4小时,以满足用户的供暖需求,而后停止运行,管壁温度经过10小时恢复到初始温度。
为下一循环开机运行提供较好的换热条件。
2.2.3 热泵机组从土壤换热器的取热量由于埋地换热器的吸热,土壤的温度场发生变图4 25m管间歇运行管壁温度图5 50m管间歇运行管壁温度图6 75m管间歇运行管壁温度化。
机组刚运行时,管内水的温度与土壤温度相差较大,取热量迅速增加,随着吸热过程的进行,土壤温度降低,因此,运行一段时间,地下埋管换热器的换热量达到稳定状态。
图7所示,间歇运行和连续运行埋地换热器的换热量变化曲线。
从图中可以看出,间歇运行的换热量明显大于相同实验状况下连续运行时的换热量。
连续运行达3～4小时,换热量约在27.9W/m ,随着运行时间的增长,土壤温度下降,土壤与换热器间的换热量必将受到影响,当连续运行24小时图7 地下埋管换热器每米埋深换热量・18・ 第1期 范萍萍等:地温可恢复性对土壤源热泵运行的影响 后,换热量下降到26.5W/m 。
间歇过程地温得到恢复(如图4～6),更有利于土壤与换热器间充分换热;换热量可以保证在27.9W/m ,与连续运行相比换热量提高了5%。
3 结 论①可控间歇过程可以改变地下埋管换热器周围温度变化的趋势,冬季运行工况下,能够提高平衡稳定温度,使机组在理想的工况下运行。
②通过合理的人为间歇控制,实现良好的地温变化趋势,能够最大限度地发挥地下埋管换热器的换热能力。
③相同工况下,与连续运行相比,间歇运行换热量有所提高,更能充分换热,实现最大限度地减少钻孔数,降低初投资。
④土壤源热泵间歇运行技术对在空调系统中充分利用地能具有重要意义和实用价值,特别是对未来节能建筑的应用,具有重要的价值,因此有必要进一步开展地源热泵机组节能特性的研究。
参考文献[1] 高青,乔广,于鸣,等.地温规律及其可恢复特性增强传热研究.制冷学报,2003,(3):38241.[2] 高青,乔广,于鸣,等.地热利用中的地温可恢复特性及其传热的增强.吉林大学学报,2004,34(1):1072111.[3] 金招芬,朱颖心.建筑环境学.北京:中国建筑工业出版社,2004:59260.[4] 徐秋敏.U 型垂直埋管式地源热泵地下传热特性的实验研究.大连:大连理工大学,2005:50264.・28・ 制 冷 与 空 调 第6卷 。