夏热冬冷地区地源热泵系统热平衡分析

徐 辉 刘光远 杨卫波

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225127)

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展和能源危机的加深，地埋管地源热泵系统的数量和规模快速增加，在夏热冬冷地区使用尤为广泛。地埋管地源热泵系统主要应用于规模较大的多层住宅、办公建筑和商场［1］，地埋管换热器采用在规定区域内密集分布的竖直单U或者双U地埋管换热管群，管间距为4 m～6 m。地埋管地源热泵系统采用闭式水循环的地埋管换热器，不污染地下自然水源和生态环境，因此适用性更广，稳定性更高。但是经过多年实际工程的应用，也暴露出了不少问题，常见的一个问题是:在地埋管换热管群布置范围内，地源热泵系统冬夏两季取热量和放热量不平衡，即土壤热失衡问题。本文对夏热冬冷地区的热平衡问题进行分析，并针对不同工况提出了不同的解决方案。

1 热平衡问题的由来

地源热泵系统是以土壤、地下水或地表水为冷热源，由热泵机组、热能交换系统、建筑内部系统三部分组成的空调系统。夏季将地下土壤中的冷量取出用于空调，即将末端用户使用的热量蓄存于地下土壤;冬季，又将夏季蓄存的热量从地下取出用于供暖，即将用户的冷量蓄存于地下。如此往复，在冷、热源交替使用的过程中，实现能源的可再生与高效利用［2］。但是地源热泵系统夏季累计向土壤释放的热量与冬季从土壤取出的热量不可能完全相等，对于单根或少量埋管来说，完全可以靠土壤自身的热扩散来消除热失衡带来的影响。对于目前应用较多的大面积密集布置管群而言，短时间的使用使得土壤温度稍大于或者稍小于土壤初始温度，对机组的影响不大，但是如果系统长期取放热不相等的运行，就会导致土壤热量或冷量的堆积，使土壤温度不断上升或下降，从而导致地埋管换热器温度逐渐偏离适合温度和系统运行效率逐年降低［3］。此外随着土壤温度逐年的变化，持续升高或者降低，土壤中各种生物的生态环境将可能受到破坏，从而影响地下生物链，甚至对人类的生活环境也产生影响［4］。

文献［5］就地源热泵系统热不平衡问题进行了研究，以冬夏3%和10%的不平衡率为条件，得出结果:以五年为周期，不平衡率为3%和10%的土壤温度分别升高了0.81℃和2.77℃。说明不平衡率越大土壤温升也越大，对系统运行效率的影响也越大。

以地源热泵系统实际工程为例，如图1所示，为8月22日实测数据。上午冷凝器进口温度从26℃上升到中午的28℃，土壤温度从24.5℃上升到26.1℃，系统COP从4.4下降到3.5;下午冷凝器进口温度从27℃上升到晚上的29℃，土壤温度从25.8℃上升到27.3℃，系统COP从3.7℃下降到2.9℃。因此，土壤温度的上升直接导致了系统COP的下降，如果系统热不平衡率较高，经过多年的运行，土壤温度的大幅上升就会导致系统运行效率的降低，影响机组的正常运行。一般情况下，土壤温度每升高1℃，取同样冷量时导致能耗增加3%～4%［6］。因此热平衡问题是地源热泵系统长期正常运行必须要考虑的一个重要因素。

2 热平衡问题分析

地埋管地源热泵系统夏季制冷，冬季供热，因为建筑产生的冷热负荷不相等，如果空调负荷全部由地源热泵系统承担，那么从土壤吸收的热量和冷量也就不等。当不平衡率过大，随着系统运行时间增加，热量或冷量堆积，土壤温度逐渐高于或低于土壤的初始温度。

图1 某小区地源热泵系统土壤温度、冷却水温度及系统COP实测值

2.1 热平衡问题分类

导致土壤热失衡的原因有很多，主要是以下几个方面:1)建筑冷热负荷差异较大。2)系统设计时，为了节省初投资减少地埋管的数量且没有增加辅助设备。3)运行管理不合理［7］。

根据热失衡原因的不同，热平衡问题可以分为以下几种:

1)当建筑冷热负荷基本平衡或不平衡率较小，即系统的放热量约等于吸热量，本文称之为“热平衡”;

2)当建筑冷负荷大于热负荷，即系统的放热量大于吸热量且不平衡率较大时，本文称“正失衡”;

3)当建筑冷负荷小于热负荷，即系统放热量小于吸热量且不平衡率较大时，本文称“负失衡”。

下面对夏热冬冷地区不同热平衡问题进行分析。

1)系统“正失衡”。

在长江中下游夏热冬冷地区，地源热泵空调末端形式以风机盘管夏季制冷、冬季供热为主，所以空调冷热负荷主要是由当地大气温度决定的。根据夏热冬冷地区气温特点，地源热泵系统主要表现为正失衡，部分地区不平衡率较低，表现为热平衡。这是地源热泵系统在夏热冬冷地区出现的典型现象，国内很多学者都对这些问题进行了分析，本文不再详细介绍。

2)系统“负失衡”。

近年来随着居民生活水平的大幅提高，在住宅空调系统中，夏季使用风机盘管制冷，冬季使用地板采暖供热的末端形式得到了广泛的应用，但是根据大量工程应用，发现系统全年的放热量小于取热量。本文将以某小区地源热泵系统实际运行状况为例，分析夏热冬冷地区“负失衡”问题。

2.2 工程案例分析

图2为某小区地源热泵系统全年土壤吸放热量，图中横坐标代表时间刻度，纵坐标代表地埋管侧每个时间点的瞬时负荷，“土壤吸放热”曲线与横坐标轴围成的面积为土壤的吸放热量，“0”刻度线以上的面积为土壤吸热量，“0”刻度线以下的面积为土壤放热量。

图2 某小区地源热泵系统全年土壤吸放热量

图3为地源热泵系统用户全年冷热负荷，图中纵坐标代表用户侧每个时间点的瞬时负荷，“0”刻度线以上的面积为用户全年需要的冷量，“0”刻度以下的面积为用户需要的热量。

图3 某小区地源热泵系统用户全年冷热负荷

图4 某小区地埋管周围土壤-55 m处测点温度实测值

图4为地埋管周围土壤－55 m处测点温度实测值，图中两个测点水平位置分别位于四口地埋管井的正中间，垂直位置在地下55 m处。图4为1号测点和4号测点2012年3月份～9月份和2013年3月份～9月份的温度分布，显然，土壤经过一年的吸放热，温度平均降低了0.3℃～0.4℃，这是系统“负失衡”问题在夏热冬冷地区实际运行中的表现。

经过计算，用户全年实际需要的冷量约为11.5 MkWh，需要的热量反而高于实际所需冷量约为12.5 MkWh，该计算与设计所需冷热量结论相反，这是由空调末端形式、当地气温特性以及当地居民空调使用习惯所决定的。而土壤全年吸收的热量约为9.5 MkWh，释放的热量约为 14.5 kWh，由此可以看出该系统为“负失衡”，且有一部分额外的负荷增加了系统的不平衡率，即生活热水负荷。出现这个现象的原因主要有两个:

1)通常夏热冬冷地区空调采用风机盘管制冷和供热，由于长江中下游地区的温度特性，空调系统全年需要的冷负荷会大于热负荷，或者冷热负荷差不多，这就决定了地源热泵系统热平衡问题表现为“正失衡”，或者因为不平衡率较小，系统冷热平衡。然而该小区采用夏季风机盘管制冷，冬季地板采暖供热的空调末端形式，因为风机盘管对流换热制冷速度快的特性，住户只需要在有人的房间开启风机盘管，就能满足舒适性要求，所以夏季风机盘管的同时使用率较低。而冬季因为地板采暖热辐射的特性，需要较长时间的蓄热才能达到用户的热舒适性要求，所以一家住户的每个房间的地板采暖系统必须同时开启，才能满足需求，导致在没有人的房间也有了负荷，所以冬季热负荷会大于夏季冷负荷，这是系统表现为“负失衡”的决定因素。

2)该工程的地源热泵系统为整个小区提供生活热水，对比图2，图3和计算的用户冷热量、系统吸放热量，可以发现，夏季生活热水负荷承担了机组向土壤排放的一部分热量，冬季增加了机组向土壤取出的热量，且生活热水负荷比较大，所以全年生活热水的负荷大大增加了系统的热不平衡率。

无论地源热泵系统出现“正失衡”或者“负失衡”，如果失衡率较大，表明该系统可能无法长期稳定的运行。文献［2］［6］均提出:当不平衡率较小，即全年取放热比小于1.2时，由于土壤本身具有一定的热扩散能力，土壤热不平衡对热泵运行影响不大，不需要采取热平衡措施;当取放热比大于1.2时，则要采取措施调整土壤热平衡。

3 热平衡问题的解决方案［8］

地埋管地源热泵的热平衡问题不是一个技术难题，出现的原因主要是设计和运行管理的不当。所以解决热失衡问题可以从两个方面着手:1)系统设计时考虑合理的冷热负荷，与地埋管数量相匹配，确定合理的地埋管间距，增加系统调峰设施。2)因为机房操作人员多为非暖通专业技术人员，缺乏热平衡问题及其影响因素的相关理论知识，他们认为自动控制就是最节能的运行方案，不需要手动调节，或者是嫌麻烦，在负荷大的时候不开启调峰设施进行调峰，所以要培训操作人员，规范运行管理。

本文就从设计阶段或工程改造方面提出热平衡问题的各种解决方案，做了简单的总结:

1)系统全年“正失衡”问题解决方案。

在长江中下游夏热冬冷地区，地源热泵系统主要表现为正失衡，部分地区不平衡率较低，表现为热平衡。解决夏热冬冷地区正失衡问题的常规解决方案有:

方案1:地埋管+地源热泵机组+冷却塔。

对于夏季冷负荷较大的工程，可在夏季将系统部分热量通过冷却塔排到大气中，减少土壤夏季吸收的热量，从而达到土壤全年温度的平衡。

方案2:地埋管+热回收式热泵机组。

近年住宅建筑的设计中逐渐采用集中供生活热水的方式，回收热泵机组将本该排放到地下土壤的冷凝热，用于加热生活热水，从而减少热量向土壤的排放。

方案3:地埋管+地源热泵机组+蓄冷设备。

若系统按冬季供热负荷设计，且系统全年向土壤排放的热量比吸收的热量多，多出的部分可由蓄冷等设备来承担，补偿地源热泵夏季供冷量的不足，从而保证土壤热平衡。

2)系统全年“负失衡”问题解决方案。

本文前面已经提到，夏热冬冷地区有部分地源热泵系统末端形式为风机盘管加地板采暖，或者供热时间较长，实际运行后会出现全年制冷量小于供热量的情况，并且工程的生活热水也是由热泵机组提供，所以热平衡问题表现为负失衡。解决夏热冬冷地区负失衡问题的解决方案有:

方案4:地埋管+地源热泵机组+辅助热源。

对于冬季热负荷较大或者供热时间较长导致系统全年放热量小于吸热量的夏热冬冷地区，热泵系统的长期运行必然导致土壤热失衡，为了使机组长期稳定的运行，可以增加辅助热源来减少系统从土壤中吸收的热量，如工业废水热回收、城市热水管网或者电加热设备等。

方案5:地埋管+地源热泵机组+太阳能系统。

若地源热泵系统是按夏季冷负荷进行系统设计，那么用户冬季高出夏季的那部分负荷需求则采用太阳能制热水的方式来承担，从而减少热泵系统从土壤中吸收的热量，既解决了热平衡问题，又使系统更加节能。

4 结语

1)地源热泵系统热平衡问题是由建筑所需的冷热负荷决定的，而建筑实际所需的冷热负荷是由建筑当地的气温特性和空调系统末端形式决定的。所以设计前期准确的负荷计算和空调末端形式的考虑是解决系统热平衡问题的关键。

2)地源热泵系统热失衡的程度受生活热水负荷的影响。当系统“正失衡”时，生活热水负荷的产生或者变大，会使得系统热失衡率变小，或者接近热平衡;当系统“负失衡”时，生活热水负荷的产生或热水负荷变大，系统热失衡率反而会越大。所以设计阶段，生活热水负荷的考虑和准确计算也是解决系统热平衡问题的关键。

3)夏热冬冷地区，大部分地源热泵系统都存在热平衡问题。部分系统不平衡率较低，不影响机组正常运行;部分系统表现为“正失衡”，通过冷却塔等辅助设备可以解决。但是空调末端为风机盘管加地板采暖的系统，表现为“负失衡”，这与夏热冬冷地区典型的正失衡问题不同，笔者将通过调研不同的工程，对这个问题做深入研究。

［1］徐 伟.地源热泵技术在中国建筑中的应用［J］.暖通空调标准与质检，2008(4)：5-9.

［2］杨卫波，陈振乾，施明恒.跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性［J］.东南大学学报，2010，9(5)：973-978.

［3］Zeng Heyi，Diao Nairen，Fang Zhaohong.Efficiency of vertical geothermal heat exchangers in the ground source heat pump system［J］.Journal of Thermal Science，2003，12(1)：77-81.

［4］姚灵锋，蔡龙俊.地源热泵热平衡问题的研究及工程应用［J］.节能技术，2009，27(154)：140-144.

［5］Jun Gao，Xu Zhang.Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers：A case study.Applied Thermal Engineering，2008，28(17)：2295-2304.

［6］魏唐棣.地源热泵地下竖埋管换热器性能研究［D］.重庆：重庆大学，2001.

［7］马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡［J］.暖通空调，2009，39(1)：102-106.

［8］何耀东，孟 震.地源热泵长期有效发展的核心——夏冬季岩土体排热量的动态平衡［J］.暖通空调，2009，39(11)：74-76.