冷熱負荷非平衡地區土壤源熱泵土壤熱失衡研究現狀及其關(guān)鍵問(wèn)題
土壤熱失衡是土壤源熱泵在冷熱負荷非平衡地區應用中出現的一種常見(jiàn)問(wèn)題，是影響其長(cháng)期高效穩定運行及正確推廣與健康發(fā)展的關(guān)鍵。本文在闡述土壤熱失衡概念、由來(lái)及其危害的基礎上，詳細分析了土壤熱失衡問(wèn)題的國內外研究現狀，提出了其設計方案，并給出了土壤熱失衡控制中有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，可為土壤源熱泵的相關(guān)研究及其實(shí)際應用提供參考。
1、引言
土壤熱失衡問(wèn)題是隨著(zhù)土壤源熱泵應用地域的延伸及其使用規模的不斷擴大而產(chǎn)生的。它既是土壤源熱泵系統長(cháng)期高效穩定運行的關(guān)鍵，又是系統生態(tài)環(huán)保的前提。目前，土壤源熱泵土壤熱失衡的概念、產(chǎn)生原因、危害、設計方案、解決措施及其控制中的關(guān)鍵問(wèn)題等，對于很多業(yè)內人士來(lái)說(shuō)還是很模糊的，從而在一定程度上直接阻礙了土壤源熱泵技術(shù)的正確推廣與健康發(fā)展。真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)發(fā)布本文在闡述土壤熱失衡概念實(shí)質(zhì)、產(chǎn)生原因及其危害的基礎上，詳細分析了其國內外研究現狀，并從土壤源熱泵地下埋管傳熱機理入手，分析了地下?lián)Q熱區域熱擴散機理及其控制中的關(guān)鍵問(wèn)題。
2、土壤熱失衡問(wèn)題
2.1、土壤熱失衡的概念
土壤源熱泵利用地下土壤作為吸熱與排熱場(chǎng)所，夏季將室內余熱取出實(shí)現空調的同時(shí)，將熱量排至地下儲存以備冬用;冬季又將夏季儲存的熱量從地下取出實(shí)現供暖后儲存冷量以備夏用，如此往復實(shí)現能源的可再生化與高效利用。因此，從工作原理上來(lái)看，土壤源熱泵實(shí)質(zhì)上是一種以地下土壤作為蓄能體的跨季節地下蓄能與釋能系統。在這里，地下土壤是具有蓄能功能的“蓄能體”，而不是簡(jiǎn)單的“冷源”或“熱源”。要保持土壤源熱泵系統能夠長(cháng)期高效運行，就必須保證這一“蓄能體”在以年為運行周期的“恒溫”特性。
也就是說(shuō)，在完成一個(gè)運行周期后，地下土壤溫度能夠恢復至初始狀態(tài)。然而，對于年均冷熱負荷非平衡地區，土壤源熱泵地下埋管全年對地下土壤的取放熱量會(huì )不一致，形成所謂的“冷熱堆積”，從而導致土壤溫度偏離其作為理想冷熱源時(shí)的初始溫度，并呈現逐年升高或降低趨勢，即土壤熱失衡問(wèn)題。因此，解決土壤熱失衡的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱區域的土壤溫度在完成一個(gè)運行周期后，通過(guò)自身的儲能與傳熱擴散，土壤溫度能恢復或接近至初始狀態(tài)，從而保證其作為理想熱源的“恒溫”特性，這就是土壤熱失衡問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。
2.2、土壤熱失衡的由來(lái)
2.2.1、冷熱負荷差異
根據熱泵機組工作原理及能量守恒定律可知，夏冬季工況下的地下排熱與取熱量分別直接取決于建筑冷負荷與熱負荷;在條件一定時(shí)，夏季建筑冷負荷越大，其地下排熱量也越大;冬季熱負荷越大，其地下取熱量也越大。因此，建筑全年累積冷熱負荷差異直接決定了全年地下累積取放量的不平衡率。當不平衡率超過(guò)土壤自身調控能力時(shí)，便會(huì )形成所謂的地下土壤“熱堆積”，即土壤熱失衡，從而引起大地土壤能量庫靠自身難以得到恢復，以至于無(wú)法循環(huán)再利用，這是造成土熱失衡問(wèn)題的根源，是難以改變的客觀(guān)因素。
2.2.2、設計問(wèn)題
土壤熱失衡設計包括地下?lián)Q熱區域和系統外部輔助冷熱源的優(yōu)化設計。地下?lián)Q熱區域的設計主要是埋管的布置，由于土壤是一個(gè)巨大的蓄能體，在蓄能量一定時(shí)，增大蓄能體積會(huì )降低土壤平均溫度的變化幅度，因此，合理的布孔間距可避免各埋管間熱干擾，從而可有效減緩土壤溫度的上升或下降速度。埋管布置過(guò)密，不僅產(chǎn)生熱干擾而導致各鉆孔溫度波疊加，而且也縮小蓄能體的體積，從而會(huì )加速土壤溫度的變化，形成“熱堆積”。在埋管布置一定時(shí)，系統輔助冷熱源的設計對于平衡全年地下取放熱量至關(guān)重要。然而實(shí)際設計中，很少?lài)栏褚匀晖寥罍囟然謴蜑槟繕�，�?lái)對埋管及其輔助冷熱源進(jìn)行優(yōu)化設計，導致輔助冷熱源無(wú)法實(shí)現預期調控目標。因此，設計人員對埋管及其輔助冷熱源的優(yōu)化設計是造成土壤熱失衡的一個(gè)極為重要的人為因素。
2.2.3、施工問(wèn)題
施工問(wèn)題是造成土壤熱失衡問(wèn)題的另一重要人為因素之一。盡管設計人員在設計階段充分考慮了土壤熱平衡問(wèn)題，且按要求布置了埋管形式及其設計參數，但由于施工階段缺乏有效的銜接及監督，再加上施工人員本身專(zhuān)業(yè)知識的不足，從而造成未按設計要求施工，最終導致設計與施工脫節。
2.2.4、運行管理問(wèn)題
一套設計優(yōu)良的系統，如果運行管理不當，也會(huì )造成土壤熱失衡問(wèn)題。目前，絕大多數系統在設計時(shí)都考慮了土壤熱平衡調控所需的輔助冷熱源設備。然而，實(shí)際運行過(guò)程中，運行管理人員由于各種原因，不按規定及時(shí)啟停輔助冷熱源設備，導致系統冬夏季節土壤的取放熱量不平衡率高于設計值，從而導致熱堆積，這在實(shí)際運行環(huán)節是一個(gè)不可忽視的因素。
2.3、土壤熱失衡的危害
2.3.1、系統運行效率降低
土壤熱失衡的最大危害在于長(cháng)期運行后埋管區域土壤的“冷、熱堆積”，這會(huì )導致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷熱源時(shí)的原始溫度，并呈現出逐年升高(供冷為主的地區)或降低(供暖為主的地區)趨勢，從而導致熱泵蒸發(fā)溫度的降低或冷凝溫度的升高，最終會(huì )使系統運行效率降低甚至惡化，從而失去土壤源熱泵所具有的節能優(yōu)勢。因此，如何保證土壤熱平衡是地源熱泵系統長(cháng)期高效運行的關(guān)鍵。
2.3.2、對局部土壤熱環(huán)境影響
(1)對大地熱流的影響
已有研究表明:生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣與區域大地熱流有密切的關(guān)系，大地熱流的高低決定了一個(gè)地區地表生態(tài)系統能量供給的下限，可能制約了一些地區生態(tài)系統物種的多樣性，進(jìn)而影響到區域生態(tài)系統的穩健性。同時(shí)，大地熱流的脈動(dòng)還影響區域大氣系統下墊面的熱力背景和氣流運動(dòng)，從而影響降水的分布和區域氣候的干濕程度。大地熱流的高低與區域地溫梯度以及巖土的導熱系數密切相關(guān)。一個(gè)地區地下巖土導熱系數通�？烧J為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關(guān)。由于土壤源熱泵熱失衡平衡所形成的熱堆積必然會(huì )引起土壤溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地熱流，這無(wú)疑會(huì )對地表生態(tài)系統帶來(lái)難以預測的影響。
(2)對生物生長(cháng)的影響
溫度是影響生物生長(cháng)發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動(dòng)過(guò)程中所要求的最適溫度以及能忍耐的最低和最高溫度統稱(chēng)為三基點(diǎn)溫度。最適溫度條件下作物的生命力強盛、生長(cháng)發(fā)育迅速而正常，當臨近其所能忍受的最低或最高溫度時(shí)，作物一般會(huì )停止發(fā)育，但仍能維持生命，如果溫度持續降低或升高，作物就會(huì )受害直至死亡。土壤溫度的變化也會(huì )影響植物根系活動(dòng)，從而影響其對營(yíng)養元素的吸收。各種生物只分布在它們所能耐受的溫度范圍內，因此土壤溫度是生態(tài)系統存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會(huì )導致土壤溫度的逐年持續升高或降低，一旦其超過(guò)原有生物活動(dòng)所要求的三基溫度，則必然會(huì )導致某些生物群落的滅亡，引起生物種類(lèi)的重新分布，最終影響到整個(gè)區域生態(tài)環(huán)境的變化。
還影響區域大氣系統下墊面的熱力背景和氣流運動(dòng)，從而影響降水的分布和區域氣候的干濕程度。大地熱流的高低與區域地溫梯度以及巖土的導熱系數密切相關(guān)。一個(gè)地區地下巖土導熱系數通�？烧J為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關(guān)。由于土壤源熱泵熱失衡平衡所形成的熱堆積必然會(huì )引起土壤溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地熱流，這無(wú)疑會(huì )對地表生態(tài)系統帶來(lái)難以預測的影響。
(2)對生物生長(cháng)的影響
溫度是影響生物生長(cháng)發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動(dòng)過(guò)程中所要求的最適溫度以及能忍耐的最低和最高溫度統稱(chēng)為三基點(diǎn)溫度。最適溫度條件下作物的生命力強盛、生長(cháng)發(fā)育迅速而正常，當臨近其所能忍受的最低或最高溫度時(shí)，作物一般會(huì )停止發(fā)育，但仍能維持生命，如果溫度持續降低或升高，作物就會(huì )受害直至死亡。土壤溫度的變化也會(huì )影響植物根系活動(dòng)，從而影響其對營(yíng)養元素的吸收。各種生物只分布在它們所能耐受的溫度范圍內，因此土壤溫度是生態(tài)系統存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會(huì )導致土壤溫度的逐年持續升高或降低，一旦其超過(guò)原有生物活動(dòng)所要求的三基溫度，則必然會(huì )導致某些生物群落的滅亡，引起生物種類(lèi)的重新分布，最終影響到整個(gè)區域生態(tài)環(huán)境的變化。
6、結語(yǔ)
土壤熱失衡問(wèn)題對于土壤源熱泵系統長(cháng)期高效穩定運行至關(guān)重要，是當前土壤源熱泵正確推廣與健康發(fā)展的關(guān)鍵，它不僅決定了該系統的市場(chǎng)競爭優(yōu)勢，也決定了該項技術(shù)的節能與環(huán)保性乃至未來(lái)的可持續發(fā)展性。土壤熱失衡問(wèn)題作為土壤源熱泵在冷熱非平衡地區應用上的一個(gè)技術(shù)難題，完全可以消除土壤源熱泵認識誤區的基礎上，通過(guò)前期的優(yōu)化設計、嚴格完善的施工監控體系及后期規范化的運行管理來(lái)解決，這可以通過(guò)業(yè)內正確宣傳及設計部門(mén)、施工單位與運行管理部門(mén)的共同配合來(lái)實(shí)現。
