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(jié)能特性就需要了解地表土壤的熱特性。大地土壤中蘊(yùn)藏著豐富的低溫地?zé)?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(gè)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(gè)相對(duì)恒溫層,這個(gè)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(dòng)在較深的地下消失,它儲(chǔ)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?zé)崮堋Ｆ錅囟葧?huì)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?zé)崮?通過地埋管土壤換熱器系統(tǒng)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?yàn)橥寥琅c地下?lián)Q熱器進(jìn)行熱交換后,土壤內(nèi)部也將進(jìn)行不穩(wěn)定的地傳熱,因此系統(tǒng)的性能與土壤性能是緊密相關(guān)的。

       土壤的性質(zhì)隨著地區(qū)的不同和季節(jié)的變化而異,不同的土壤作為熱泵的低溫?zé)嵩吹牟煌�情況,目前還難以作出優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。影響這個(gè)傳熱過程的主要因素有兩個(gè):一是傳熱面積;二是土壤的熱力參數(shù),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(kuò)散率和地下滲流等。

熱工特性

       熱工特性主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量和熱擴(kuò)散率等。其中導(dǎo)熱系數(shù)表示土壤傳導(dǎo)熱量能力的一個(gè)熱物理特性指標(biāo),土壤的容積熱容量表征土壤的蓄熱能力,而熱擴(kuò)散率則表征土壤溫度場(chǎng)的變化速度。導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量、擴(kuò)散率因土壤成分、結(jié)構(gòu)、密度、含水量的不同有異,并隨著地區(qū)不同和季節(jié)的變化而變化。在同一地區(qū),土壤的放熱量是土壤吸熱量的80%。

大地的溫度

       對(duì)大地土壤溫度情況的了解是很重要的,因?yàn)榇蟮嘏c地埋管中的循環(huán)水之間的溫差驅(qū)動(dòng)熱量傳遞,大地溫度接近全年的地表面平均溫度。根據(jù)測(cè)定,10m深的土壤溫度接近于該地區(qū)全年平均氣溫,并且不受季節(jié)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(dòng)在較深的地方消失。根據(jù)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(duì)熱泵運(yùn)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(shí),土壤導(dǎo)熱系統(tǒng)是恒定的,稱為臨界含濕量;低于此值時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)下降。在夏季制冷時(shí),熱交換器向土壤傳熱,熱交換器周圍土壤中的水受熱被驅(qū)除。如果土壤處于臨界含濕量時(shí),由于水的減少使土壤的傳熱系數(shù)下降,惡性循環(huán),又使土壤的水分更多地被驅(qū)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(duì)較大。所以在干燥高溫地區(qū)采用地耦管要考慮到土壤的熱不穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)行中,可以通過人工加水的辦法來改善土壤的含水率。

       我國(guó)北方地下水位較高和冷負(fù)荷較小的地區(qū),土壤的含濕量將保持在臨界點(diǎn)以上,可以認(rèn)為大部分地區(qū)全年都是潮濕土壤。有關(guān)資料記載,大地下各種固體介質(zhì)的熱工參數(shù)如表2 所示,可作為不同土層結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)大小比較的參考。

地下水的流動(dòng)

         地下水的滲流對(duì)加強(qiáng)大地的熱傳遞有明顯的效果。實(shí)際上,大地的地質(zhì)構(gòu)造很復(fù)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(gòu)造運(yùn)動(dòng),各巖層又出現(xiàn)褶皺、傾斜、斷裂現(xiàn)象。降雨滲入土質(zhì)層,在重力作用下,向更深層運(yùn)動(dòng),最后停留在不透水層。地下水在空隙中流動(dòng)以形成滲流,水的流動(dòng)不但能進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱并且又能進(jìn)行對(duì)流傳熱。若地下水滲流流速>8mm/h 時(shí),就可按水的傳熱來計(jì)算。

結(jié)　語

1) 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)主要是由于其機(jī)組的冷熱源是地表熱能,運(yùn)行不受環(huán)境條件制約,節(jié)省了空間,改善了建筑物形象。

2) 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)比普通空調(diào)系統(tǒng)有較大提高,且設(shè)備集中、性能良好,具有較好的可行性。

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