土壤源熱泵是把地表土壤作為熱源的,要了解土壤源熱泵的節能特性就需要了解地表土壤的熱特性。大地土壤中蘊藏著豐富的低溫地熱,雖然與深層的高品味能量相比,淺層土壤熱能品位要低,但可采集利用的量很大。淺層土壤就像是一個巨大的太陽能集熱器,其吸收47%的太陽照射在地球上的能量和地心熱綜合作用下形成了一個相對恒溫層,這個層大約在地面以下30~500m之間,它的溫度接近全年的地表平均溫度,溫差波動在較深的地下消失,它儲存了取之不盡、用之不竭的低溫可再生能源,這種能源被稱為淺層低溫地熱能。其溫度會隨著地下深度和氣候不斷地變化,變化情況如圖3所示

圖3 　地下溫度的變化情況

       土壤源熱泵就是充分利用了這種淺層低溫地熱能,通過地埋管土壤換熱器系統與大地交換熱量,交換過程中的主要問題是需解決土壤冬夏季吸熱和放熱的平衡性。如果熱量的取用不平衡,必然造成土壤的蓄熱性變差。因為土壤與地下換熱器進行熱交換后,土壤內部也將進行不穩定的地傳熱,因此系統的性能與土壤性能是緊密相關的。

       土壤的性質隨著地區的不同和季節的變化而異,不同的土壤作為熱泵的低溫熱源的不同情況,目前還難以作出優劣的評價。影響這個傳熱過程的主要因素有兩個:一是傳熱面積;二是土壤的熱力參數,包括土壤的熱工特性、大地的平均溫度、土壤的含水率、土壤的密度、土壤的容積熱容量,熱擴散率和地下滲流等。

熱工特性

       熱工特性主要包括導熱系數、容積熱容量和熱擴散率等。其中導熱系數表示土壤傳導熱量能力的一個熱物理特性指標,土壤的容積熱容量表征土壤的蓄熱能力,而熱擴散率則表征土壤溫度場的變化速度。導熱系數、容積熱容量、擴散率因土壤成分、結構、密度、含水量的不同有異,并隨著地區不同和季節的變化而變化。在同一地區,土壤的放熱量是土壤吸熱量的80%。

大地的溫度

       對大地土壤溫度情況的了解是很重要的,因為大地與地埋管中的循環水之間的溫差驅動熱量傳遞,大地溫度接近全年的地表面平均溫度。根據測定,10m深的土壤溫度接近于該地區全年平均氣溫,并且不受季節的影響。在0.3m深處偏離平均溫度為±15℃,在3m 深處為±5℃,而在6m 深處為±1.5℃,溫差波動在較深的地方消失。根據資料記載,平均地下溫度在60m 深度以下視為恒定。土壤越深,對熱泵運行越有利。

含水率

       土壤的含水率是影響傳熱能力的重要因素,但水取代土壤微粒之間的空氣后,它減小微粒之間的接觸熱阻提高了傳熱能力。土壤的含水量在大于某一值時,土壤導熱系統是恒定的,稱為臨界含濕量;低于此值時,導熱系數下降。在夏季制冷時,熱交換器向土壤傳熱,熱交換器周圍土壤中的水受熱被驅除。如果土壤處于臨界含濕量時,由于水的減少使土壤的傳熱系數下降,惡性循環,又使土壤的水分更多地被驅除。土壤含水率的下降,土壤吸熱能力衰減的幅度比土壤放熱能力衰減的幅度相對較大。所以在干燥高溫地區采用地耦管要考慮到土壤的熱不穩定性。在實際運行中,可以通過人工加水的辦法來改善土壤的含水率。

       我國北方地下水位較高和冷負荷較小的地區,土壤的含濕量將保持在臨界點以上,可以認為大部分地區全年都是潮濕土壤。有關資料記載,大地下各種固體介質的熱工參數如表2 所示,可作為不同土層結構導熱系數大小比較的參考。

地下水的流動

         地下水的滲流對加強大地的熱傳遞有明顯的效果。實際上,大地的地質構造很復雜,存在著松散的粘土層、砂層、沉積巖層、空氣和水層等。由于地球構造運動,各巖層又出現褶皺、傾斜、斷裂現象。降雨滲入土質層,在重力作用下,向更深層運動,最后停留在不透水層。地下水在空隙中流動以形成滲流,水的流動不但能進行傳導傳熱并且又能進行對流傳熱。若地下水滲流流速>8mm/h 時,就可按水的傳熱來計算。

結　語

1) 土壤源熱泵空調系統的節能、環保的優點主要是由于其機組的冷熱源是地表熱能,運行不受環境條件制約,節省了空間,改善了建筑物形象。

2) 土壤源熱泵空調系統的性能系數比普通空調系統有較大提高,且設備集中、性能良好,具有較好的可行性。

3) 土壤源熱泵空調系統的節能特性主要受制于地下換熱器的傳熱面積和土壤的熱力參數。可以通過開發換熱效率較高的地下換熱器、采用混合式的土壤源熱泵機組(即把地下埋管系統和冷卻塔系統或其他的冷卻系統結合起來)等方法來加以改善,使土壤源熱泵機組有更好的使用前景。