土壤源热泵系统“热堆积”问题解决策略综述

秦永星 赵小利 杨超凡 陈九法

1 中铁十二局集团建筑安装工程有限公司

2 东南大学能源与环境学院

0 引言

在我国大力倡导“ 节能和环保”的趋势下，暖通空调领域的节能改造成为了节能减排的重点内容。地源热泵作为一种利用浅层地热资源的空调系统得到了广泛的推广和应用[1]。土壤源热泵是利用地埋管换热器与地下土壤进行换热，在夏季向土壤释放热量，冬季时从土壤中吸收热量。但是在实际情况中，当系统向土壤的释热量大于取热量时，就会造成“ 热堆积”的问题。图 1 显示南京某一土壤源热泵系统运行1 年后，土壤出现了严重温升。目前，很多学者对土壤源热泵系统的热不平衡性进行了深入研究，但是缺乏对这方面系统的综述。本文旨在总结土壤源热泵系统热不平衡性研究、归纳了通过采取控制策略和系统配置优化来解决“ 热堆积”问题的方法。

图1 南京市某土壤源热泵系统运行一年土壤温度变化

1 解决热不平衡问题的系统优化

1.1 地源侧系统的优化

地源侧埋管换热器系统的成本占整个土壤源热泵系统成本的 1/4～1/3[2]，对地源侧系统的优化不仅可以解决热不平衡问题还可以节约建设成本。多数研究是对埋管换热器、孔井等进行优化，提高系统 COP 进而减少热不平衡。优化的内容包括孔井参数，这里包括孔井之间的间距，数量，布局以及埋管换热器的埋深。另一方面的优化可以针对回填材料的优化，回填材料良好的导热性能，可以帮助周围土壤更快恢复温度，有力与维持系统热平衡。下面分别介绍孔井参数、回填材料对解决系统热不平衡问题的影响。

1.1.1 孔井参数

通过优化孔井参数可以缓解系统长期运行后土壤温升的问题，一般可通过增大孔间距、加大井深和优化孔井布局来实现。相对于增大埋管深度而言，增大孔间距对土壤源热泵系统的系统的提高更加明显[2]，加大孔井间距可以提高埋管换热器系统的热容，有利于土壤温度的恢复。随着井孔距离的加大，这种收益会越来越小。R ui Fan 等人在分析井孔间距对系统热平衡的研究发现，系统运行 10 年后，井孔间距分别为 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m 对应的土壤平均温升依次为10.08 ℃，7.25 ℃，5.41 ℃，4.13 ℃和3.22 ℃[3]，如图2。随着不断加大孔井间距，减弱土壤温升的幅度越来越小，这说明虽然加大孔井间距有利于减弱系统热不平衡，但随着不断加大间距，这种做法带来的收益会越来越小。Ying、LEL 等人对医院，快餐店，住宅和学校四种类型的建筑的土壤源热泵系统进行了分析研究，对四个建筑又分别建立了 2×2、4×4、2×8 不同孔井布局的模型。结果显示2×8 布局的模型运行状况要优于4×4 布局的模型，这是因为2×8 布局埋管具有更大的散热周长，还对埋管间距进行了研究，结果表明将埋管的间距设置为6 m 是最优的选择[4]。

图2 不同孔井间距土壤温升情况

1.1.2 回填材料

回填材料是用来填充埋管与井壁之间的空隙，因此回填材料的热物性对地源热泵系统土壤热平衡有一定的影响，最佳回填做法是将在钻孔过程中所排出的地层土或岩石进行回填，即原土回填，这样可以获得与周围地层相一致的导热性能。但在实际施工过程中，原土从挖掘到回填，其热物性一定会发生改变，不具有与原有地层参数相同热物性，除非地层为均质岩土。庄迎春等人分析了回填土的热物性对换热器性能的影响。研究发现单独的使用膨润土不适合用作回填材料，需要配比一定的水泥，回填材料的导热系数随水灰比的减小而增加。回填材料中砂含量的增加会使导热系数往往呈线性增长，掺入大颗粒的骨料可以提高导热系数。推荐使用水灰比为 0.45 且砂置换率为 80 %时回填材料具有较好的导热性能[5]。

1.2 复合土壤源热泵系统

为解决土壤源热泵系统热不平衡的问题，建立一套混合能源的土壤源热泵系统是一个有效的办法。宋胡伟等人使用 DeST 软件对土壤源热泵系统进行了模拟计算，研究了我国不同地区代表城市的建筑负荷特性及对土壤源热泵系统的影响，对复合系统的适用区域提出了看法。认为低纬度地区均不宜单独使用土壤源热泵系统进行制冷和采暖，应当考虑一些辅助冷热源，设计成复合型空调系统[6]。李蕾等人就济南某酒店的土壤源热泵与冷水机组复合系统进行了模拟比较，研究发现，当土壤源热泵系统承担全部的冷负荷和热负荷时，系统的热不平衡率为 45.63%，这意味着系统长时间运行之后就会发生COP 严重降低的问题。当土壤源热泵系统承担 70%冷负荷和全部的热负荷，剩余冷负荷由冷水机组提供时，整个复合系统的热不平衡率为6.7%，这表明这种由冷水机组承担部分冷负荷的复合系统具有较好的热平衡性[7]。

将具有热回收功能的装置应用到土壤源热泵可以缓解原有系统热不平衡性问题。比如，可以增加热回收装置来提供生活热水，夏季时可以减少埋管向土壤的排热量，冬季时又可以增加热负荷，从而达到减轻热不平衡的效果。Z hao 等人将传统土壤源热泵系统和不同热回收效率（分别为 18%，30%和 53%）土壤源热泵系统的热不平衡进行了比较，建筑选择在我国的夏热冬冷地区。通过软件模拟得到，系统在运行20 年后，热不平衡率分别为29.2%，21.1%，16%和5.2%。同时，土壤的温升分别为 8.78 ℃，5.25 ℃，3.44 ℃和0.34 ℃[8]，带有热回收功能的土壤源热泵系统具有较好的热平衡性，运行多年后土壤的温度不会出现严重的升高。

2 解决热不平衡问题系统控制策略

目前工程上较多使用冷却塔与地源热泵构成的复合系统来解决土壤源热泵系统热不平衡问题。关于解决土壤源热泵系统热不平衡性问题的控制策略研究归结来说，是通过模拟多种控制策略下热泵运行情况，得出土壤温度，热泵机组能耗，冷却塔能耗，系统总能耗以及地埋管进出口流体温度的变化规律。目的是寻找当前工况下最优的控制策略和最优的控制点。

2.1 基于温度控制的运行策略

2.1.1 热源侧循环介质进（出）口最高温度控制

该策略是依据热泵机组的运行工况来执行的，取决于机组所在的建筑的负荷特性。当热源侧循环介质进（出）口温度超过设定值时则开起冷却塔，使得系统稳定的运行。

成恒生等人对我国夏热冬冷地区土壤源热泵复合冷却塔系统的控制策略进行了研究。探讨了三种不同的控制策略的系统效果，以应对系统热不平衡问题。以埋管出水温度作为控制点，当出水温度超过设定值1 ℃时，冷却塔维持前一时间步长状态。当出水温度低于设定温度时，关闭冷却塔。其它两种控制策略分别为地埋管出水与环境温差控制、冷却塔运行时段控制。通过模拟系统20 年的运行后，结果发现第一种运行策略对土壤的温升抑制效果较好，同时造成的能耗也多于其它两种[9]。以流体最高温度作为控制对象的方法分为两种，一种是控制热泵进口流体最高温度，另一种是控制热泵出口流体最高温度。一些学者比较了这两种控制方法的抑制土壤温升的能力。张家骆对比了热泵机组出口流体温度控制和进口流体温度控制的运行效果，模拟了两种不同的最高温度控制策略下系统20 年的土壤温度变化情况，得出当对热泵机组采用最高温度的控制策略时，对热泵机组进口流体温度进行控制，更有利系统热平衡[10]。最高温度控制策略下运行缺点是冷却塔运行时间段空调负荷较大，而空调负荷较大往往意味着室外湿球温度较高，这会影响冷却塔的工作效率，同时该策略的控制点温度设计往往以平衡土壤热平衡为主要依据，而忽略系统的综合能耗。

2.1.2 热源侧循环介质进（出）口温度与环境空气湿球温度差值控制

该策略是利用周围环境温度，结合冷却塔工况需求，综合考虑整体机组的运行特性来执行的。当热源侧循环介质进（出）口温度与室外空气湿球温度差值大于预先设定值时开启冷却，小于设定值时关闭冷却塔。当采用温差控制策略时，对热泵出口温度进行温差控制更优[9]。

谢鹏等人利用 TRNSYS 软件模拟了武汉市某小型办公楼建筑，得到以地源侧循环介质出口温度与环境湿球温度差为控制参数的运行策略为最佳方案。模拟还得到，相比于无辅助散热的系统，占地面积可以降至传统系统的 46%[11]。徐永军等人利用DeST 软件对土壤源热泵系统建模，进行7 年的模拟计算。结果显示在温差的控制策略下，将冷却塔开启湿球温差定为3.5 ℃、当湿球温差为 1.5 ℃时关闭冷却塔可以达到最优效果[12]。温差控制法利用室外空气温度，提高系统运行效率比较明显。工程上一般采用温差控制方法，对热泵进口流体温度与当前时刻的湿球温度的差值进行控制。温差大于2 ℃时，开启冷却塔循环。温差小于1.5 ℃时，关闭冷却塔循环[9]。但该策略的缺点是容易受环境影响，可控制性差，一般不易控制地源热泵主机夏季向地埋管周围岩土的排热量[13]，相比于出水温度控制来说，目标性稍差些。

2.2 运行时间控制策略

该策略是依靠的土壤自身温度恢复的特性，通过控制冷却塔的运行时间比进行系统间歇运行。包括晚间开启冷却塔，利用夜间将热量释放到空气中。过渡季节开动冷却塔和每天的上午和下午时间段开动冷却塔，利用每天室外湿球温度最低的时间段来恢复土壤温度。刘元采用不同的冷却塔间歇运行时间分析了时间控制策略下土壤的温升情况，间歇时间为1 小时、2 小时、3 小时。随着间歇时间的加大，土壤的温升越严重。间歇时间越短，土壤的热平衡越好[13]。对于运行时间控制策略，优点是执行成本较低。但是不能根据系统工况和建筑负荷进行反馈调节，较难解决热不平衡问题，一般作为温差控制的辅助方法。控制冷却塔的开启时间的策略往往需要配置较大容量的冷却塔，在夏季冷负荷受室外环境温度影响不大的场合和中小型工程不适用[14]。

3 结论

在我国夏热冬冷地区的土壤源热泵系统中普遍存在制冷量大于制热量的现象，这就会造成土壤的热不平衡问题。本文对地源热泵系统热不平衡问题进行了探讨，总结了关于土壤源热泵系统热不平衡性的研究。将解决“ 热堆积”问题的策略归纳为三种：第一种是采取适当的控制策略，包括基于温度的控制策略、运行时间控制策略。以埋管进（出）口水温作为控制策略具有很好的目地性，是最直接的控制方法，但是冷却塔运行时间段空调负荷一般较大，系统运行效率不高，能耗比较大。以温差作为控制方法，系统具有较高的运行效率，缺点是易受周围环境变化的影响。间歇控制方法执行成本较低。但是不能根据系统工况和建筑负荷进行反馈调节，较难解决热不平衡问题，一般作为温差控制的辅助方法。第二种是通过优化地源侧孔井参数改善热不平衡问题，包括孔间距、数量、布局埋管换热器埋深的优化。相对于增大埋管深度而言，增大孔间距对土壤源热泵系统的系统的提高更加明显，同时提高回填材料导热性能也是解决热不平衡问题的途径。第三种是构建复合土壤源热泵系统，增加辅助散热系统。