介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法

0前言 　　地源热泵采暖技术其节能环保性受到广大用户的青睐。可是近年部分地源热泵项目出现了地下热量失衡的严重问题，给地源热泵推广蒙上了阴影，本文针对此问题进行探讨，为广大同仁分享一些解决办法。 　　1地下换热钻井施工 　　由于各地区地质千差万别，地下物质导热系数相差悬殊，没有统一计算方式，钻勘探井测试地质导热系数，只能计算相对较短时间内地质放热系数，几乎无法预算热泵运行多年后结果，凭借多年的施工经验及参考地源热泵成功案例非常重要。 　　1.1钻井间距 　　地埋管式换热系统国家标准及规范中指出地下换热系统中对钻井间距为4~6m，考虑到成本及占地面积，一般工程施工时钻井间距≤4m。 　　换热井与井之间的地质就是蓄热空间，决定地埋管换热系统取热的年限，假如在3年期间换热井之间温度短路区易发生短路现象，该系统很快进入地下温度失衡状态，造成系统能效比下降甚至无法运行。热泵在冬季长时间处在取热状态，每口井周围温度在逐渐降低，特别是地下流层不丰富甚至没有流层的地况，换热井间距大小直接影响井与井之间温度短路时间。如图1所示。   　　1.2钻井群形状 　　地下换热系统设计人员主要考虑便于管网连接及连接机房距离，大部分采暖工程在钻井施工时，把所有换热井口集中到一起，大型采暖项目需钻井数量非常庞大，地下换热井会形成井群。特别是圆形或方形井群如果井间距过小容易造成严重取热不足，井群中心呈扩散状，中心位置温度区温度很低，几年后可能低于0℃。前几年运行的地源热泵项目，部分出现井水温度过低现象，甚至机组无法运行。如图2所示。 图2集中式换热井群 　　2合格的地埋管式换热系统 　　根据现场情况，尽量加大换热井距离，4口井间做不对称形状，井间距需≥4m。大中型地源热泵项目，地下连接管网庞大，地下主管道间距需≥1m，以减少大量进出水主管道间热量短路现象。管网埋设深度，北京地区冻层0.8m左右，管网应埋设在低于冻层以下1m处，尽量减少主管道对地层的热损。如图3、图4 所示。 　　2.1换热井群形状设计 　　一般采暖面积＜2000m2的项目，换热井数量相对较少，小型换热井群周围蓄热空间庞大，一般不考虑井群形状。数量超过50口以上，且较集中的换热井群，需注意井群形状问题。一般换热井群俯瞰以细长状为宜，外形为L、T 或X 型均可。最大限度减小换热井群数量，避免大型换热井群堆积造成井群中心出现低温度区。如图5所示。 　　2.2地下能量失衡及解决方法 　　由于大地传热性惰性较大，温度降低或上升不能短时间内回复原来温度范围，采暖项目在冬季利用热泵技术提取地下热能，春、夏、秋季为地下热能恢复期，一般中小型工程只要换热井数量设计充足，在经过三季漫长过程中是可以回复原来温度范围的。增加夏季制冷功能，该功能是向地下放热过程，有利于地下温度恢复。 　　大中型采暖项目，特别是冬季采暖期远长于夏季制冷期，长时间提取地下热能，部分地区会出现地下热能失衡现象，地下不丰富流层地质尤为突出，换热井群形成局部低温环境。几年后容易造成热泵运行费用剧增，甚至无法正常运行。 　　我国北方采暖期长于制冷期，地下热能失衡是无法避免的。除了合理的设计换热井的距离、数量及井群形状之外，还可以利用太阳能跨季节蓄热技术来弥补地下亏损热能。 　　太阳能跨季节蓄热技术已成熟，他不仅可以解决现有的地源热泵地下失衡问题，还可以为早期因地下热能失衡问题失败的地源热泵案例恢复其功能。 　　不过为地下补充热量也应经过严格计算，地下补热过盛也是热量失衡的表现，由于地源热泵设备对热源要求温度不能过高，所以太阳能补热温度太高也会造成热泵设备不能正常工作。如图6所示。 　　3结论 　　在采暖季长于制冷季的地区，利用地埋管式换热系统的采暖技术，最严重的问题就是地下热量失衡。它会使井水温度过低，热泵机组运行效率低下甚至无法运行。地下热量失衡地区一般地质相对闭塞，地下流体不活跃及流体分布少甚至没有流体，地质相对湿度较小，这种地质做地源项目容易发生地下热量失衡问题，可此种地质对采用太阳能跨季节蓄热技术是有利的。 　　该技术已为几家前几年运行的因地下热量失衡问题无法正常运行的地源热泵系统，增加了跨季节蓄热功能，彻底解决了热量失衡问题。 　　跨季节蓄热技术太阳能集热面积概算：根据当地采暖季与制冷季相差天数，计算多出天数的负荷应为每季所需补充热量。太阳能产出热能计算：夏季约600W/（m2/h）；春、秋季约300W/（m2/h）。（天普新能源科技有限公司/刘文庆）