土壤源热泵系统热平衡问题浅析

马文涓 熊孟

【摘要】地下热平衡问题在土壤源热泵系统设计与使用过程中必须受到足够重视，一个不考虑热平衡方案的设计是一个不完善甚至是冒险的设计，尤其对于目前应用较多的大面积密集布置管群阵列式土壤源热泵系统，长期运行后不仅会出现效率低下，而且还会对生态环境造成难以预测的影响。因此，土壤源热泵设计前必须在正确认识土壤源热泵工作原理实质的基础上，对热平衡问题做好方案设计与环境影响评价，通过前期的优化设计与后期规范化的运行管理来缓解与解决。

【关键词】土壤源热泵 热平衡 复合热源 热泵

1前言

土壤源热泵利用地下土壤作为吸热与排热的场所，夏季将室内余热取出排至地下储存以备冬用，冬季从地下取热供给房间后储存冷量以备夏用。因此，更确切地说，土壤源热泵是一种以地下土壤作为蓄能体的地下蓄能及再利用系统，而并非单纯的地热能利用技术，这是目前业内普遍存在的对土壤源热泵认识上的一个误区。要保持土壤源热泵系统长期高效运行，就必须保证全年内冬夏季土壤取放热量的平衡，从而可实现土壤能量在以年为周期时的自我恢复。

2土壤源热泵系统土壤热平衡问题原因分析

2.1冷热负荷不平衡

我国幅员辽阔，各地区气候差异较大，很多地区建筑物全年冷、热负荷差异很大，导致土壤源热泵系统冬季从土壤中提取的热量和夏季释放到土壤中的热量难以平衡，因此，土壤源热泵在应用时若不采取措施，而是直接根据需求量取热和放热用以满足冬夏负荷需求，必然会导致土壤温度偏离其原始温度，即土壤热不平衡现象，导致系统性能下降。

在北方地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，热泵从土壤中提取的热量大于夏季向土壤中释放的热量，导致土壤温度降低，机组蒸发温度降低，系统耗功量增加，供热量减少，热泵的循环性能系数COP降低；在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，热泵向土壤中释放的热量大于冬季从土壤中提取的热量，导致土壤温度升高，机组冷凝温度升高，系统耗功量增加，制冷量减少，热泵的能效比EER降低。因此，土壤源热泵适用于冬夏冷热负荷相差不大的地区，根据实测和理论计算，一般情况下，建议冬夏向土壤的吸排热量相差不大于20%为好。

2.2设计不合理

国外在应用土壤源热泵时，多是在单体别墅的设计中，地埋管敷设面积不大，对于这种少量埋管来说，合理的管间距完全可以满足依靠土壤自身的热扩散使得多余的冷热量得以平衡，但对于我国目前土壤源热泵大多应用在较大面积公共建筑中，地埋管密集布置，大面积管群长期运行，管群中心处的热量难以传递出去，各埋管间必然产生热干扰，使得一个运行周期中从土壤中提取和释放热量的不平衡，在运行间歇期间土壤温度无法恢复原始值，土壤温度逐年持续上升或下降，系统运行效率降低。

3土壤源热泵系统土壤热平衡问题解决方法

3.1 系统设计前期的准备计算

在土壤源热泵系统设计前进行全年动态负荷计算，了解冬夏冷热负荷范围及分布，并对地下埋管区的土壤温度场进行测量和模拟分析，掌握土壤热物性，掌握在动态负荷下土壤的温度波动范围和运行间歇期间土壤温度的恢复情况，以基础数据为根据对地埋管的深度、数量以及埋管间距进行合理设计和优化，确保地埋管换热器高效运行。充足的设计前准备工作是优秀合理的设计的前提，只有对设计工况有足够认识才能使设计方案更加合理可行。

3.2地埋管分区运行

在进行埋管设计时，可将埋管划分为多个回路，轮流使用，在不同的负荷状态下分区运行，使得各环路交替运行，土壤获得更加充分的恢复时间，增强换热效果。当系统所需负荷较小时，可优先考虑使用外围环路，以加速周边埋管土壤聚集冷热量的扩散，避免中心局部过热[2]。同时在埋管区土壤中心位置设置温度传感器，及时监控土壤温度的变化，当土壤温升超过规定数值后，开启辅助调峰设备，避免热堆积。条件合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统，以确保地埋管地源热泵系统处于较好的控制和调节状态。

3.3设置辅助冷热源

对于冬夏季冷热负荷相差较大的地区，最直接的解决冷热不平衡的办法是设置辅助冷热源系统，以此来减小土壤的热不平衡率。对于北方地区，夏季冷负荷小于冬季热负荷，地埋管换热器的长度按照夏季负荷进行设计，冬季运行时则辅以锅炉或太阳能集热器作为补充热源。对于南方地区，冬季热负荷小于夏季冷负荷，地埋管换热器的长度按照冬季负荷进行设计，夏季运行时则辅以冷却塔或热回收技术来减少系统对土壤的排热量，平衡冬夏对土壤的热量输出。在对辅助热源进行控制时应以全年动态模拟作为基础，确定辅助设备的开启条件和运行时间。

3.4采用复合热源热泵系统

鉴于单一热源热泵应用时产生的诸多问题，热泵的研究方向开始向可以将能源综合利用的复合热源热泵发展。不同形式的热泵联合应用，取长补短，解决了单一热源热泵在应用过程中存在的问题，同时也在很大程度上扩大了热泵技术的应用范围。以土壤源热泵为主的复合热源热泵系统的形式主要有以下两种：

1）土壤源-空气源复合热泵系统

2）土壤源-太阳能复合热泵系统

以土壤源-空气源复合热泵系统为例，北方地区，当冬季室外空气温度较低时，土壤源侧换热器运行，当系统从土壤中提取的热量达到夏季回灌量时，系统切换至空气源侧换热器运行，运行模式的具体控制策略需要前期模拟计算来确定，进而保证冬夏季系統从土壤中取放热的平衡。

土壤源-太阳能复合热泵系统可以全年综合利用太阳能，通过太阳能与土壤源热泵系统结合，一方面降低太阳集热系统在冬季的工作温度，提高太阳能集热器的工作效率；另一方面通过太阳能的补热，可以有效解决在寒冷和严寒地区土壤源热泵面临的冷热不均的问题，扩大和改善了土壤源热泵的使用范围。

国内外对于各种复合热源热泵系统的研究内容主要集中在复合热源热泵的系统形式、循环性能、运行模式和经济性分析。通过对复合热源热泵系统不同的系统形式和工作模式的研究，得到更为合理的系统运行模式，使得热泵系统在整个运行季节都保持较高的运行效率及运行稳定性，复合热源热泵的应用可以大大减小埋地管的长度，系统具有较好的环保性和经济性，拥有广阔的发展前景。

目前，对于复合热泵系统的研究还没有形成完整、准确的理论体系和可靠的支持数据，所以复合热源热泵的推广还有很长的一段路要走，还需要更多的研究成果来提供其推广应用的理论依据。但是我们不难看出，复合热源热泵的优势，它不仅克服了单一热源热泵存在的诸多问题，而且具有更明显的节能优势，利用两种甚至多种的可再生能源不仅符合当前能源利用的发展方向，其灵活的系统组成方式更是对传统热泵系统的突破和创新。

总结

近年来，土壤源热泵系统在我国快速发展，地下热平衡问题在土壤源热泵系统设计与使用过程中必须受到足够重视，尤其对于我国目前应用较多的大面积密集布置管群阵列式土壤源热泵系统，长期运行后必然会导致系统运行效率低下等问题，因此，土壤源热泵系统在设计前必须对热平衡问题做好规划和设计，通过前期对项目的全方位考虑后提出合理的系统运行策略，同时设置有效的土壤温度检测系统和相应的调节控制系统保证系统的高效运行。

参考文献：

[1] 何雪冰，刘宪英.北方地区应用地源热泵应注意的问题[J].低温建筑技术，2004，2：85-86.

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

[3] 杨卫波， 陈振乾，刘光远.土壤源热泵系统地下热平衡问题分析[C]// 中国制冷学会2009年学术年会.天津，2009.