第３８卷第４期化工機械３９３
曹孜孜蔣綠林劉衛火
（常州大學機械與能源工程學院）
摘要分析了土壤源熱幫浦系統在實際使用過程中常出現的熱失衡問題，避開傳統的輔助能源（冷卻塔
和鍋爐等）的辦法，提出了解決該問題的新技術思路——蓄能技術，實施能量蓄存，達到能量的補充和再利用的目的，減輕能量失衡帶來的影響，降低了因輔助裝置而增加的系統初投資和執行費用，為土壤源熱幫浦系統更廣泛地應用提供了有效途徑。關鍵詞地源熱幫浦蓄能技術熱失衡
輔助能源
中圖分類號ｔｑ０５１．５文獻標識碼 ａ文章編號
土壤源熱幫浦系統是一項跨環境、水文地質、工程地質、鑽探、熱質交換以及暖通空調等多專業的綠色新能源技術，具有環保節能、安全穩定、執行
行充分的熱交換，就容易使得土壤出現取、放熱不
平衡…，這一特點決定了該項技術適用於冷熱負荷相當的地區。
如果一年中，夏季向大地排放的熱量等於冬季從地下取出的熱量，則大地收支平衡，長期執行土壤溫度也不會有大的改變。但如果地下換熱器
費低及可靠性高等優點，近年來得到了迅速發展
與廣泛應用。它雖不存在水位下降、地面下降和回灌等問題，但在實際應用過程中卻會引起土壤
溫度的變化，出現熱失衡現象，使整個系統效能降
低。筆者對熱失衡問題進行全面分析，**新的解決方案。
１土壤源熱幫浦及存在的問題
土壤源熱幫浦系統利用大地（地表之下２０ｍ）
的取、放熱不平衡，多餘的熱量（冷量）就會在地
下慢慢堆積，逐漸超過土壤自身對熱量的擴散能
力，最終引起地下年平均溫度的上公升（降低），影
響地熱器的換熱效能，使整個系統的效率降低，並對周圍生態環境產生一定的影響，這就是所謂的
恆溫這一特性，在投入少量的高品位能的基礎上，熱失衡問題。通常情況下，土壤溫度上公升（降低）
通過埋地換熱器與大地進行冷熱交換，實現供冷
供熱的目的。夏季，熱幫浦將建築物內的熱量取出，通過埋管系統排入地下，同時蓄存熱量，以備冬用；冬季，埋管內的介質將地下的熱量取出，然後通過熱幫浦主機和室內系統給建築物供暖，同時蓄存冷量，以備夏用。其中，地埋管換熱器布置方式又可分為水平與豎直的兩種。
水平地埋管換熱器通常埋地１～２ｍ，由於埋深較淺，可以和地面進行
１℃，會使製取同樣冷量的能耗增加３％
４％［。
一土壤熱失衡不僅要考慮冬夏季冷熱負荷的比率，還需從地埋管換熱器的間距、系統構成以及實
際運**況等方面分析，從目前執行**現的熱失衡問題來看，主要有以下幾種情況：
ａ．為了節省初投資，減少地埋管換熱器的
數量分布，從而引起持久執行特性變差；
ｂ．由於可供地埋換熱器布置的面積較小，
充分的熱交換，因此，幾乎不存在地下土壤的熱平衡問題，但是占地面積較大，使用受到了限制。豎直埋管換熱器通常埋深在３０～ｌｏｏｍ，其熱交換物件是深層土壤，而深層土壤不可能與地表環境進
從而減小了地埋管換熱器間距，使得單個地埋管換熱器的擴散半徑減小，降低了持久執行特性；
ｃ．熱幫浦機組與地埋管換熱器組群設定不匹
曹孜孜，女，１９８６年７月生，碩士研究生。江蘇省常州市，２１３０１６。
３９４配，造成區域性土壤溫公升過高；
化工機械２０１１年
空間實施能量蓄存，達到能量補充和再利用的目
ｄ．複合式系統管理執行不當，影響調峰設的，不僅可以解決冬夏熱不平衡的問題，而且可以
施的冷熱平衡功能，導致系統冬夏季節取放熱不平衡率大於設計值，土壤出現熱堆積。
減小埋管換熱器的占地面積以及平衡電網峰谷負
荷，原理如圖１所示。
２ 土壤熱失衡的解決方法
由於季節性熱平衡與普通熱平衡不同，要實
現１００％的相等幾乎是不可能的。通過長期的試驗研究及資料分析認為，只要是系統冬夏季的取、放熱量相差在２０％以內，均認為達到季節性平衡，在此範圍內，由於系統吸熱、排熱而對大地溫度場造成的年改變可通過土壤的蓄熱、傳熱以及熱衰減等加以恢復。倘若大於２０％，可以採用帶有熱**功能的地源熱幫浦機組、系統間歇性執行
的方式以及合理的混合式地源熱幫浦系統緩解熱失衡問題。帶熱**功能的地源熱幫浦機組，在冬季
增加了地埋管地源熱幫浦系統的取熱負荷，在夏季**了熱幫浦機組向地下的冷凝排熱，在過渡季節
部分帶有全熱**功能的熱幫浦機組還可以作為熱
水機使用從地下取熱，這對緩解土壤熱失衡非常有益，同時也可以提供廉價的生活熱水，對有生活熱水需要的專案也是非常合適的乙個技術手段。地源熱幫浦若採用間歇執行方式，室內無人時停機，
縮短了熱幫浦系統的執行時間，降低了不必要的電能消耗，降低了供熱或製冷的總量，減輕了土壤的負擔。在熱幫浦系統停機時，土壤溫度可以在一定程度上恢復，有利於再次開機時的傳熱工況。但更多的還是採用合理的混合式土壤源熱幫浦系統，並採用良好的控制策略，這樣能更大限度地發揮
地源熱幫浦系統高效節能、環保的優點，從而延長系統的使用壽命。
目前，比較常見的混合系統主要有兩種形式：
一種是帶有冷卻塔輔助散熱的冷卻塔一地源熱幫浦
系統，主要適用於以冷負荷為主的南方地區；一種是採用鍋爐為輔助熱源或是帶有太陽能集熱器輔助加熱的太陽能一地源熱幫浦系統，主要適用於以熱負荷為主的北方氣候地區。雖然通過能源輔助（冷卻塔和鍋爐等）的辦法可以解決地源熱幫浦熱失衡的問題，但這樣增加了系統的初投資和執行費用，根據國外的分析報道，解決的有效措施之一
是利用蓄能技術的方法。
２．１土壤蓄能與土壤源熱幫浦整合系統
土壤蓄能與土壤源熱幫浦整合系統是利用地下
ａ——壓縮機；ｂ——冷凝器；ｃ——節流閥；ｄ——蒸發器；ｅ——集熱器；卜＿地埋管換熱器；
ｇ——使用者端；ｈ——冷卻塔；ｉ——水幫浦；ｌ～１８——閥門
圖１土壤蓄能與土壤源熱幫浦整合系統原理圖夏季，利用夜問低谷時段的廉價電力開啟冷水機組製造冷量，並通過地埋管換熱器將冷量部分或全部貯存到地下土壤中，該流程的控制為：冷卻塔的排熱環路為蓄冷側的環路是．
一其餘閥門關閉。由於白
天電力高峰，停止執行耗電量大的冷水機組，通過開啟迴圈水幫浦使載冷劑在地埋管中迴圈流動與埋
管周圍的土壤進行熱交換，將蓄存於土壤中的冷量提取出來供給空調系統使用，該流程的控制為一ｆ，其餘閥門關閉。當地下蓄存
的冷量低於建築物所需的冷負荷時，系統可按土
壤源熱幫浦系統的供冷工況執行。在夏末季節，系統按土壤源熱幫浦系統的供冷工況執行，將系統的冷凝熱排至土壤中，使埋管周圍土壤溫度場得到
一定程度的恢復，為冬季供暖工況儲備熱量。
冬季，在供冷為主的**帶地區，系統按土壤
源熱幫浦系統的供暖工況執行，土壤作為熱幫浦系統
的低位熱源，系統通過地下埋管換熱器從土壤中吸取低品位熱能，向建築物供暖；在供熱為主的嚴
寒地區，通過地下埋管換熱器將集熱器收集起來
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的太陽能或工業餘熱、廢熱部分或全部貯存到地壤中提取的熱量降低，使土壤溫度在輔助期間有下土壤中，而後通過開啟迴圈水幫浦使載熱劑在地下埋管中迴圈流動與埋管周圍的土壤進行熱交
換，將蓄存土壤中的熱量提取出來進行供暖，蓄熱的流程控制為：ｅ．１８—１６一ｆ一１５—１３一ｉ－１ｌ一１７一ｅ，其餘閥門關閉。釋熱流程為：ｆ－１５—１３一ｉ－１一其
餘閥門關閉。當地下蓄存的熱量低於建築物所需的熱負荷時，系統可按土壤源熱幫浦系統的供熱工
況執行該系統充分利用了土壤蓄能技術與土壤源熱
幫浦技術的特點，將蓄能裝置轉移到土壤源熱幫浦的
地下埋管換熱器中，使地埋管換熱器和蓄能裝置
合二為一，在夏季執行時兼做蓄冷裝置，在冬季執行時兼做蓄熱裝置，免除了傳統蓄能系統（蓄熱水箱、冰槽）中占地面積大、耗資較多的蓄能裝
置，解決蓄能裝置的占地面積和配置問題。將土壤蓄能系統與土壤源熱幫浦系統有機的結合在一
起，可以人為地通過不同的土壤蓄能方案來調節和控制土壤的溫度，解決土壤源熱幫浦長期執行導致土壤溫度場不能有效恢復及系統年久執行的出
力不足問題。
２．２ 太陽能相變蓄熱輔助地源熱幫浦系統
太陽能一土壤源熱幫浦系統是以太陽能與土壤熱為復合熱源的熱幫浦系統 ，太陽能與土壤熱的結合具有很好的互補性，太陽能可以提公升土壤源熱幫浦進口流體溫度，彌補土壤源熱幫浦制熱量的不足；土壤熱可以克服太陽能熱幫浦受氣候影響嚴重的缺點。然而由於太陽能的間歇性與不穩定性，
使得該系統必須考慮蓄熱問題，若採用蓄熱水箱，實際應用過程中將受到熱損失及空間限制的影響，其解決方法為太陽能相變儲存技術，使水蓄熱與相變蓄熱結合，構成太陽能相變蓄熱輔助地源
熱幫浦系統，原理如圖２所示。
筆者在原有的蓄熱水箱內部增加蓄熱體（採用相變材料封裝在容器中構成）的相變儲存技術，相當於在水箱控制方程中增加了蓄熱項，增強了水箱的蓄熱能力，減少了不可逆熱損失，提高了集熱器效率。執行方式為：晴天白天，埋管換熱器通過熱幫浦機組的蒸發器吸熱，滿足供暖要求，同時
太陽對蓄熱裝置進行蓄熱；夜晚蓄熱裝置通過板
式換熱器滿足夜晚負荷的同時，對地下溫度場有相應的恢復作用。整個執行期間輔助加熱使從土
所恢復，從而延緩了地下溫度場的降低。
圖２ 太陽能蓄熱輔助地源熱幫浦系統
３ 結束語
隨著我國能源政策的不斷深人推行，新能源
和可再生能源技術的不斷完善，從對環境效益與
經濟效益總體分析，土壤源地源熱幫浦系統是一種效能良好、經濟可行而且無汙染的技術。目前我國的土壤源地源熱幫浦系統執行時間不長，雖暫時
還未出現因土壤熱失衡引起的嚴重後果，但還是
需要足夠重視土壤熱失衡問題。利用蓄能技術，能充分發揮土壤源熱幫浦的優勢，實施能量蓄存，達到能量的補充和再利用的目的，減輕能量失衡帶
來的影響，為土壤源熱幫浦系統更廣泛地應用提供了有效途徑。
參考文獻
［１］周學文．地源熱幫浦豎直地埋管換熱器的熱平衡問題
及解決方案［ｊ］．新能源與環境
６６．［２］魏唐棣．地源熱幫浦地下豎埋管換熱器效能研究
［ｄ］．重慶：重慶大學，２００１．
［３］姚靈峰，蔡龍俊．地源熱幫浦熱平衡問題的研究及工
程應用［ｊ］．節能技術
［４］羅蘇瑜．土壤蓄能與土壤源熱幫浦整合系統地埋管換
熱特性研究［ｄ］．長沙：中南大學，２００７．
［５］谷鐵柱．太陽能相變蓄熱輔助土壤源熱幫浦研究
［ｄ］．鄭卅ｌ：河南工程學院，２００８．
（收稿日期修回日期
（下轉第４９１頁）
第３８卷第４期化工機械４９１
破裂是典型的疲勞失效，內壓作用下的三通交接處產生應力集中與振動產生的交變應力共同作用
是發生疲勞失效的主要原因。
３．２ 採用大型有限元計算軟體ａｎｓｙｓ分析計算管系的固有頻率、振型和三通管件應力分布，其中管系的最低階固有頻率ｌ３．８ｈｚ與烴幫浦的轉速
１３ｒ／ｓ接近，能引起共振，加劇疲勞失效。
３．３ 建議將三通及水平主管道直徑從原來的８９ｍｍ增大到１０８ｍｍ，同時在距離三通兩側一定
圖５ 模型二應力強度雲圖
位置的水平主管道處增設兩個支架，以限制振幅，
下的振幅，作為最危險情況，其位移最大，三通交使固有頻率提高，減弱共振影響，降低三通交接處界處的應力也最大，計算可得最大應力強度為
的應力集中，增加疲勞壽命。
４２９．４ｍｐａ；模型二是將管系本身的撓度加ｌ～個垂直向上的振幅，由於與撓度方向相反，疊加後對
二通部位的應力有一定的改善作用，得三通交界處的應力強度值為疲勞分析
利用ａｎｓｙｓ軟體可以實施載荷譜的減操作功能，即用模型一的應力分布減去模型二的應力分布，得到三通管件在開裂處的最大交變應力為考一參一一～一～一髓一呦一一～一一一～一～～一一一～
４２３．０ｍｐａ；然後，對三通管件進行疲勞壽命計
算 。應力幅值修正後可得其中，、．
分別表示常溫、高溫下鋼材的彈性模量。查～黼
一～文獻［５］附錄ｃ表ｃ一１，可得到允許迴圈次數ｎ＝２５ ０００次，這遠不能滿足實際要求。
３ 結論
３．１對開裂三通管件進行試驗、檢測後認為，該
（收稿ｔ３期
（上接第３９５頁）
水源熱幫浦技術簡介
在製冷模式時，高壓高溫的製冷劑氣體從壓縮機出來後進入水 製冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，並使水溫公升高。到熱膨脹閥進行節流膨脹成低壓液體後進入蒸發器蒸發成低壓蒸汽，同時吸收空氣的 水 的熱量。低壓製冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此迴圈不已。此時，製冷環境需要的冷凍水在蒸發器中...
地源熱幫浦土壤熱物性測試實驗研究
年第 卷第 期 工業安全與環保 地源熱幫浦土壤熱物性測試實驗研究 韓斯東金光畢文明 內蒙古科技大學能環學院 內蒙古包頭 北京華清榮昊新能源開發有限責任公司北京 摘要 通過對同一測試孔分別進行實驗室法 線熱源測試模型方法以及在原有柱熱源測試模型方法 的基礎上提出分層熱物性測試法進行土壤熱物性測試，並對...
水源熱幫浦技術方案新
關於定州管理處用房施工技術方案批覆意見 保市政監 2013 批覆01號 合同名稱 南水北調中線京石段應急供水工程管理處用房合同編號 zxj jl glc 001 說明 1.本表一式 4 份，由監理機構填寫。承包人簽收後，承包人 監理機構 發包人各1份。2.一般批覆由監理工程師簽發，重要批覆由總監理工...