寒冷地區(qū)消防供水的凍結(jié)問題與防控措施

1、寒冷地區(qū)消防供水的凍結(jié)問題與防控措施摘要：隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，我們越來越多的關(guān)注地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡， 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡對于現(xiàn)實生活中具有重要的意義。本文主要介紹地埋管地源熱 泵系統(tǒng)的熱平衡的有關(guān)內(nèi)容。關(guān)鍵詞；地埋管；地源熱泵系統(tǒng)；熱平衡；問題；規(guī)劃環(huán)評是指對政策、規(guī)劃及其替代方案可能產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行規(guī)范的、系統(tǒng)的 綜合評價，并把評價結(jié)果應(yīng)用于負(fù)有公共責(zé)任的決策中。它是為了針對項目環(huán)評的缺陷而提 出的。項目環(huán)評自20世紀(jì)60年代在西方發(fā)達(dá)國家提出并實施以來，在控制和減少環(huán)境污 染和生態(tài)破壞方面發(fā)揮了重要作用，但是其不足也日益明顯。建設(shè)項目處于整個決策鏈（戰(zhàn) 略一政策一規(guī)劃一

2、計劃一項目）的末端，因此項目環(huán)評只能做修補(bǔ)性的努力。對單個項目的 認(rèn)可或否決，并不能影響最初的決策和布局。而環(huán)境問題在人們著手制定政策、規(guī)劃時就已 經(jīng)潛在地產(chǎn)生了。一、土壤熱平衡問題的由來地埋管地源熱泵依靠地埋管換熱器從地下土壤中提取能量，雖然熱泵機(jī)組的熱源 和熱匯都是擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)的土壤，但地埋管換熱器夏季累計向土壤的放熱量與冬季從土 壤的取熱量一般并不一致，這樣長期取放熱量不平衡的堆積會超過土壤自身對熱量的擴(kuò)散 能力，造成其溫度不斷偏離初始溫度，并導(dǎo)致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運行效率逐年下 降，這即通常所說的地埋管地源熱泵熱失衡問題。地埋管地源熱泵周期運行后土壤溫度出現(xiàn) 上升和下降是土壤熱

3、量收支失衡的兩種后果，都對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。如果地埋管地源 熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部空調(diào)負(fù)荷，大多數(shù)情況下其全年的取放熱量不平衡，在我國部分地區(qū)可 能表現(xiàn)為散熱量多于取熱量。這主要是由于供冷季、供暖季持續(xù)時間和負(fù)荷強(qiáng)度有明顯差異， 而且夏季土壤還要承擔(dān)制冷機(jī)組和水泵等設(shè)備散熱造成的。地埋管換熱器的實際傳熱過程 是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，它以土壤導(dǎo)熱為主，但同時還包括了土壤多孔介質(zhì)中的空 氣、地下水體的自然對流以及地下水的遷移傳熱，因此土壤的熱物性、含水量、土壤初始溫 度、埋管材料、管徑和流體物性、流速等都對單個地埋管換熱器的傳熱過程產(chǎn)生影響。地埋 管換熱器群中特定位置的土壤溫度變化還受臨近位置多

4、個地埋管換熱器溫度波在該處迭加 的影響?？照{(diào)運行期間，周期性變化的負(fù)荷輸入加上過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的停運，引起了地埋 管換熱器周圍的土壤溫度場總處在升溫一降溫一升溫的循環(huán)變化過程中。土壤的散熱包括兩 方面，一方面為地下水遷移帶走的熱量，另一方面為土壤的熱傳導(dǎo)所帶走的熱量，散熱的 對象都是大地，由于大地本身具有足夠大的容積，所以只要設(shè)計能保持每年空調(diào)系統(tǒng)從地 下取放熱差值不超過土壤固有的散熱能力，就可以保持全年的熱平衡。二、土壤熱平衡問題的危害2.1熱平衡問題對熱泵運行的影響根據(jù)建筑熱工我國可分為5個區(qū)：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬 暖地區(qū)和溫和地區(qū)。由于巨大的地域差異，使得大部分地區(qū)的

5、建筑物在一年之中的冷、熱負(fù) 荷相差甚大。而近年來地埋管地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)模不斷增加，形式多采用在一定區(qū)域 密集布置的豎直單U甚至雙U型地埋管換熱群，近年來還出現(xiàn)了利用建筑物地基內(nèi)的工程 樁或灌注樁密集布置地埋管換熱器群的新方式，這些密集型豎直埋管的方式雖然能較好地適 應(yīng)中國地少人多的國情,但是也帶來地埋管換熱器布置范圍內(nèi)的土壤熱失衡問題，它已經(jīng)引 起了各方面對此技術(shù)長期運行效果越來越多的擔(dān)心。地埋管換熱器地埋管地源熱泵周期運行后土壤溫度出現(xiàn)上升和下降是土壤熱量收 支失衡的兩種后果，都對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。Rottmayer S P等5做的相關(guān)研究表 明，夏季向地下累計釋放的總熱量與冬季從

6、地下累計吸取的總熱量均衡時孔深不隨運行時間 變化，不均衡時地埋管換熱器換熱性能下降，隨運行時間的延長所需的設(shè)計孔深呈對數(shù)曲線 增大。綜上所述，熱平衡問題對熱泵長期運行特性有明顯影響，由于土壤熱阻高于管內(nèi)對 流熱阻和管壁的熱阻，加上持續(xù)運行后地埋管溫度波的疊加使土壤溫度恢復(fù)時間增長，出現(xiàn) 冷卻水溫度升高（降低）和系統(tǒng)效率下降，土壤溫度持續(xù)改變，此后地埋管地源熱泵的持久 運行特性將變差。2.2熱平衡問題對生態(tài)環(huán)境的影響地埋管地源熱泵熱平衡導(dǎo)致的土壤溫度變化不僅影響地埋管換熱器性能，對熱泵的 穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，使效率降低甚至無法正常運行。而且地源熱泵長期運行造成的熱堆積改 變土壤溫度，對土壤的性質(zhì)產(chǎn)

7、生影響并危及到土壤的生態(tài)環(huán)境。另外，熱泵在溫度控制方面 優(yōu)于傳統(tǒng)的煤爐或電爐，使得熱泵在果蔬培育尤其是反季果蔬培育中得到越來越廣泛的應(yīng) 用，使得我們必須關(guān)注地源熱泵的長期運行對土壤環(huán)境的影響，這直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng) 的平衡。三、土壤熱失衡的解決方法地埋管地源熱泵的熱失衡問題并不是技術(shù)上的難題，完全可以通過系統(tǒng)的合理設(shè) 計和規(guī)范化的運行管理進(jìn)行規(guī)避。解決的方法在于減小地埋管換熱器群的密集度和冷熱負(fù)荷 的不平衡率，前者可以通過增大地埋管換熱器布置的間距、減小地埋管換熱器單位深度承擔(dān) 的設(shè)計負(fù)荷等措施進(jìn)行，而后者可以通過設(shè)置系統(tǒng)調(diào)峰、采用熱泵機(jī)組熱回收技術(shù)減少夏季 排熱等措施實現(xiàn)。相比較而言，減小

8、地埋管換熱器群的密集度需要增加地埋管換熱器布置面 積，因而其實施受實際情況限制，但對于系統(tǒng)持久安全運行更有用。采用系統(tǒng)調(diào)峰等措施可 以將土壤溫升控制在一定范圍內(nèi)并獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，但合理的調(diào)峰比例需要根據(jù)空調(diào)負(fù) 荷情況作技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定。目前地埋管換熱器制冷和制熱的出力一般按照持續(xù)穩(wěn)定24 h后的土壤熱特性測 試結(jié)果作為參考依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，雖然這些測試數(shù)值考慮了系統(tǒng)連續(xù)運行后的效率下降，但 不能反映地埋管換熱器組群之間的互相影響，因此實際使用當(dāng)中要進(jìn)行修正。有調(diào)峰的復(fù)合 式系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性更好，因此條件具備時應(yīng)該優(yōu)先考慮作為解決土壤熱失衡的主要措施。 但是應(yīng)該注意調(diào)峰系統(tǒng)同時也提高了剩余地埋管換

9、熱器的使用頻率，因此調(diào)峰后土壤承擔(dān) 的冬夏負(fù)荷不宜相差過大。利用帶熱回收功能的地埋管地源熱泵機(jī)組提供生活熱水，在冬季 增加了地埋管地源熱泵系統(tǒng)的取熱負(fù)荷，在夏季回收了熱泵機(jī)組向地下的冷凝排熱，在過 渡季節(jié)部分帶有全熱回收功能的熱泵機(jī)組還可以作為熱水機(jī)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項目也是非常 適合的一個技術(shù)手段。此外，條件適合時還可以采用以下技術(shù)手段緩解土壤熱失衡問題：1）將地埋管換熱器與熱泵機(jī)組對應(yīng)設(shè)置成多個回路，輪流使用，部分負(fù)荷時優(yōu)先 使用地埋管換熱器布置的周邊回路，以延長地埋管換熱器的溫度自然恢復(fù)時間，避免中心 局部過熱。

10、2）在地埋管換熱器布置場地中心位置布置溫度傳感器，對空調(diào)季土壤溫度進(jìn)行實 時檢測，當(dāng)土壤溫升超過規(guī)定數(shù)值后，啟動調(diào)峰系統(tǒng)運行。條件合適的地埋管地源熱泵機(jī)房 還可以設(shè)置自動控制和管理系統(tǒng)，以確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)處于較好的控制和調(diào)節(jié)狀 態(tài)。3）地埋管地源熱泵即使不采用復(fù)合式系統(tǒng)，也可以預(yù)留冷卻塔位置和接口，以保 證如果持續(xù)運行出現(xiàn)土壤溫升超出控制范圍，啟動冷卻塔輔助冷卻。4）對冬夏季節(jié)土壤熱負(fù)荷差異較大的項目可以采用夏季冷卻塔優(yōu)先開啟運行的復(fù) 合式系統(tǒng)，或者在空調(diào)不運行的夜間將冷卻塔和地埋管換熱器串聯(lián)使用以冷卻地下土壤 可以很好地解決熱失衡問題，并不影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。我國的地埋管地源熱泵運行時間不長，尚未暴露出土壤熱失衡的嚴(yán)重后果。但鑒于 我國快速發(fā)展的地埋管地源熱泵市場和高度密集的豎直埋管方式，土壤熱失衡問題必須引 起足夠重視，沒有土壤熱平衡方案的地埋管地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運行數(shù)年后存在出現(xiàn)效率下 降和持續(xù)運行效果變差的巨大風(fēng)險。參考文獻(xiàn)1程艷濤，王根緒，張春敏,長江源區(qū)高寒草甸植被覆蓋與地溫變化對土壤飽和導(dǎo)水 率的影響J.地理地質(zhì),2006.2李世清，任書杰，李生秀.土壤