土壤源热泵技术应用中热失衡问题的分析及解决

李彦英

摘要：针对土壤源热泵技术在实际工程应用中出现的热失衡问题进行具体分析，并结合工程实际情况。提出问题解决方案。

关键词：土壤源热泵 热失衡 太阳能

土壤源热泵技术是利用大地温度相对稳定的特性，对建筑物供热制冷的节能环保技术。土壤源热泵的工作原理是，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高，对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用：夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。

土壤源热泵由于需要在恒温土壤中提取或释放热量，对于年平均冷热负荷不均衡的地区，由于土壤中地埋换热器对土壤取放热量不一致，导致土壤不能靠自身的恢复能力保持地温场温度，从而偏离初始温度，出现逐年上升或下降的趋势。即出现土壤热失衡问题。出现热失衡的热泵项目长期运行会降低热泵机组的换热效率，影响热泵机组的稳定和经济性。热失衡也会影响地区的大地热流及生物生长，最终影响整个区域生态环境。所以保持土壤地温场的热平衡，使地温场恢复或接近初始温度是热泵项目长期运行的关键，也是保护生态环境的要求。热失衡问题在采暖期长的北方尤其明显。

土壤热失衡问题的控制方法，一般最简便易行的方法是利用热泵既能供热又能制冷的功能，对建筑物进行夏季制冷，在不平衡率20%以下时，由于土壤本身具有一定的热扩散能力和蓄热能力，热量不平衡对热泵的运行影响不大，不需要采取措施。当热平衡率相差较大（20%以上），则需要采取辅助措施：辅助供热和辅助冷却方式。

以实际工程为例，工程为北方的某住宅区，建筑面积25000m2，为两幢7层楼房，节能保温墙体，室内末端为地板辐射采暖，住宅区采用土壤源热泵系统供暖，系统运行形式为单供暖，热泵机组的供热功率1 100KW，土壤换热指标30W/m。地埋换热器由220个120米深单U型地埋管组成，沿楼房四周设置，呈长方形。工程2010年底投入运行，至2016年采暖期，地温场从16度降A9度，平均每年降低1度。本工程存在热失衡问题，如不解决，该土壤源热泵供暖系统的效率会逐年降低，最终将会影响整个系统的正常运行。

本工程热泵机组供热功率1100KW，热泵机组的COP值为3.5。需从地温场提取热量786kw，即使每年日照的热补偿量占土壤取热量的20%，由于单供暖，夏季冷负荷为0kw，冷热不平衡率也远超过20%，这也是地温场每年降低的原因。

针对本工程地温场温度降低的情况，应用辅助供热方式。一般辅助供热方式有以下几种：

方式1：用太阳能一地源热泵系统。太阳能系统与土壤源热泵系统联合运行时，通过阀门的启闭，实现4种运行方式：（1）直接利用太阳能供热；（2）太阳能与热泵机组的冷凝器串联运行；（3）太阳能加热地埋管换热器；（4）太阳能直接进入热泵机组蒸发器。

方式2：增加辅助电加热器。这种方法简单直接，比较实用。

方式3：利用太阳能跨季节蓄热。系统由太阳能集热器、蓄热水箱连接原热泵系统，夏季利用太阳能集热器蓄热至水箱，冬季提取地温场及水箱热量为建筑物供热。

以上几种方法对本工程来说均具可行性，三者相比较，方法2需新增电辅加热器，方法3，受小区内空间限制，蓄热水箱的位置无法确定，只有方法1最具可行性，此小区每户均安装有太阳能，把太阳能系统与土壤源热泵系统相连接。冬季，在供暖初始时，在室外温度较高的情况下，采暖负荷较小，此时，经过太阳能加热后的供水温度较高，若供水温度高于45℃，关闭太阳能系统与地源热泵系统连接的阀门1、2、3、4、7，开启阀门5、6，理论上可以利用太阳能集热器直接供暖。对本工程来说，280户家用太阳能集热器总供水量34t，不满足系统供水量要求。因此选择太阳能系统接入土壤源热泵系统的地埋管换热器，与土壤源热泵系统串联运行，即关闭阀门5、6、7，打开阀门1、2、3、4，开启热泵机组，经过太阳能集热器加热后的水再经过地源热泵系统的热泵机组提升后，供给末端，这样既加热土壤的温度，同时又提高热泵机组蒸发器侧的进水温度，提高了热泵机组的效率。

太阳能系统与地源热泵系统联合运行原理图如下图所示：

鉴于本工程地温场温度降低，夏季用太阳能集热器加热地埋管换热器，同时关闭用户侧，循环地源侧，向土壤释放热量，储存热量。本工程所在小区共280户，按每户太阳能面积2m2计算，共计560m2，夏季储存的热能也相当可观。按夏季土壤地埋管每延米吸热量65w/m计算，吸热量Q1=120*220*65=1716kw

本工程年采暖需热量按每天运行1 2小时计

供暖需热量Q2=786*12*120=1131840kw，Q2/Q1=660h

即太陽能一土壤源热泵系统运行660h可补充一年的土壤取热量，理论上一个采暖季可恢复将近两年的地温场温降，再加上夏季蓄热提高地温场温度，运行下来，恢复地温场温度效果会比较显著，所需费用也较低。

结语：土壤源热泵技术是一项无污染排放，可再生能源利用的环保技术，其应用会越来越广泛。为避免应用过程中出现地温场热失衡，在设计阶段如何维持地温场的热平衡就是这项技术能否成功应用的关键。endprint