影响土壤源热泵空调系统节能特性

        土壤源热泵是把地表土壤作为热源的,要了解土壤源热泵的节能特性就需要了解地表土壤的热特性。大地土壤中蕴藏着丰富的低温地热,虽然与深层的高品味能量相比,浅层土壤热能品位要低,但可采集利用的量很大。浅层土壤就像是一个巨大的太阳能集热器,其吸收47%的太阳照射在地球上的能量和地心热综合作用下形成了一个相对恒温层,这个层大约在地面以下30~500m之间,它的温度接近全年的地表平均温度,温差波动在较深的地下消失,它储存了取之不尽、用之不竭的低温可再生能源,这种能源被称为浅层低温地热能。其温度会随着地下深度和气候不断地变化,变化情况如图3所示

图3 　地下温度的变化情况

       土壤源热泵就是充分利用了这种浅层低温地热能,通过地埋管土壤换热器系统与大地交换热量,交换过程中的主要问题是需解决土壤冬夏季吸热和放热的平衡性。如果热量的取用不平衡,必然造成土壤的蓄热性变差。因为土壤与地下换热器进行热交换后,土壤内部也将进行不稳定的地传热,因此系统的性能与土壤性能是紧密相关的。

       土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而异,不同的土壤作为热泵的低温热源的不同情况,目前还难以作出优劣的评价。影响这个传热过程的主要因素有两个:一是传热面积;二是土壤的热力参数,包括土壤的热工特性、大地的平均温度、土壤的含水率、土壤的密度、土壤的容积热容量,热扩散率和地下渗流等。

热工特性

       热工特性主要包括导热系数、容积热容量和热扩散率等。其中导热系数表示土壤传导热量能力的一个热物理特性指标,土壤的容积热容量表征土壤的蓄热能力,而热扩散率则表征土壤温度场的变化速度。导热系数、容积热容量、扩散率因土壤成分、结构、密度、含水量的不同有异,并随着地区不同和季节的变化而变化。在同一地区,土壤的放热量是土壤吸热量的80%。

大地的温度

       对大地土壤温度情况的了解是很重要的,因为大地与地埋管中的循环水之间的温差驱动热量传递,大地温度接近全年的地表面平均温度。根据测定,10m深的土壤温度接近于该地区全年平均气温,并且不受季节的影响。在0.3m深处偏离平均温度为±15℃,在3m 深处为±5℃,而在6m 深处为±1.5℃,温差波动在较深的地方消失。根据资料记载,平均地下温度在60m 深度以下视为恒定。土壤越深,对热泵运行越有利。

含水率

       土壤的含水率是影响传热能力的重要因素,但水取代土壤微粒之间的空气后,它减小微粒之间的接触热阻提高了传热能力。土壤的含水量在大于某一值时,土壤导热系统是恒定的,称为临界含湿量;低于此值时,导热系数下降。在夏季制冷时,热交换器向土壤传热,热交换器周围土壤中的水受热被驱除。如果土壤处于临界含湿量时,由于水的减少使土壤的传热系数下降,恶性循环,又使土壤的水分更多地被驱除。土壤含水率的下降,土壤吸热能力衰减的幅度比土壤放热能力衰减的幅度相对较大。所以在干燥高温地区采用地耦管要考虑到土壤的热不稳定性。在实际运行中,可以通过人工加水的办法来改善土壤的含水率。

       我国北方地下水位较高和冷负荷较小的地区,土壤的含湿量将保持在临界点以上,可以认为大部分地区全年都是潮湿土壤。有关资料记载,大地下各种固体介质的热工参数如表2 所示,可作为不同土层结构导热系数大小比较的参考。

地下水的流动

         地下水的渗流对加强大地的热传递有明显的效果。实际上,大地的地质构造很复杂,存在着松散的粘土层、砂层、沉积岩层、空气和水层等。由于地球构造运动,各岩层又出现褶皱、倾斜、断裂现象。降雨渗入土质层,在重力作用下,向更深层运动,最后停留在不透水层。地下水在空隙中流动以形成渗流,水的流动不但能进行传导传热并且又能进行对流传热。若地下水渗流流速>8mm/h 时,就可按水的传热来计算。

结　语

1) 土壤源热泵空调系统的节能、环保的优点主要是由于其机组的冷热源是地表热能,运行不受环境条件制约,节省了空间,改善了建筑物形象。

2) 土壤源热泵空调系统的性能系数比普通空调系统有较大提高,且设备集中、性能良好,具有较好的可行性。

3) 土壤源热泵空调系统的节能特性主要受制于地下换热器的传热面积和土壤的热力参数。可以通过开发换热效率较高的地下换热器、采用混合式的土壤源热泵机组(即把地下埋管系统和冷却塔系统或其他的冷却系统结合起来)等方法来加以改善,使土壤源热泵机组有更好的使用前景。