土壤源熱泵系統熱平衡問題淺析

馬文涓 熊孟

【摘要】地下熱平衡問題在土壤源熱泵系統設計與使用過程中必須受到足夠重視，一個不考慮熱平衡方案的設計是一個不完善甚至是冒險的設計，尤其對于目前應用較多的大面積密集布置管群陣列式土壤源熱泵系統，長期運行后不僅會出現效率低下，而且還會對生態環境造成難以預測的影響。因此，土壤源熱泵設計前必須在正確認識土壤源熱泵工作原理實質的基礎上，對熱平衡問題做好方案設計與環境影響評價，通過前期的優化設計與后期規范化的運行管理來緩解與解決。

【關鍵詞】土壤源熱泵 熱平衡 復合熱源 熱泵

1前言

土壤源熱泵利用地下土壤作為吸熱與排熱的場所，夏季將室內余熱取出排至地下儲存以備冬用，冬季從地下取熱供給房間后儲存冷量以備夏用。因此，更確切地說，土壤源熱泵是一種以地下土壤作為蓄能體的地下蓄能及再利用系統，而并非單純的地熱能利用技術，這是目前業內普遍存在的對土壤源熱泵認識上的一個誤區。要保持土壤源熱泵系統長期高效運行，就必須保證全年內冬夏季土壤取放熱量的平衡，從而可實現土壤能量在以年為周期時的自我恢復。

2土壤源熱泵系統土壤熱平衡問題原因分析

2.1冷熱負荷不平衡

我國幅員遼闊，各地區氣候差異較大，很多地區建筑物全年冷、熱負荷差異很大，導致土壤源熱泵系統冬季從土壤中提取的熱量和夏季釋放到土壤中的熱量難以平衡，因此，土壤源熱泵在應用時若不采取措施，而是直接根據需求量取熱和放熱用以滿足冬夏負荷需求，必然會導致土壤溫度偏離其原始溫度，即土壤熱不平衡現象，導致系統性能下降。

在北方地區，冬季熱負荷大于夏季冷負荷，熱泵從土壤中提取的熱量大于夏季向土壤中釋放的熱量，導致土壤溫度降低，機組蒸發溫度降低，系統耗功量增加，供熱量減少，熱泵的循環性能系數COP降低；在南方地區，夏季冷負荷大于冬季熱負荷，熱泵向土壤中釋放的熱量大于冬季從土壤中提取的熱量，導致土壤溫度升高，機組冷凝溫度升高，系統耗功量增加，制冷量減少，熱泵的能效比EER降低。因此，土壤源熱泵適用于冬夏冷熱負荷相差不大的地區，根據實測和理論計算，一般情況下，建議冬夏向土壤的吸排熱量相差不大于20%為好。

2.2設計不合理

國外在應用土壤源熱泵時，多是在單體別墅的設計中，地埋管敷設面積不大，對于這種少量埋管來說，合理的管間距完全可以滿足依靠土壤自身的熱擴散使得多余的冷熱量得以平衡，但對于我國目前土壤源熱泵大多應用在較大面積公共建筑中，地埋管密集布置，大面積管群長期運行，管群中心處的熱量難以傳遞出去，各埋管間必然產生熱干擾，使得一個運行周期中從土壤中提取和釋放熱量的不平衡，在運行間歇期間土壤溫度無法恢復原始值，土壤溫度逐年持續上升或下降，系統運行效率降低。

3土壤源熱泵系統土壤熱平衡問題解決方法

3.1 系統設計前期的準備計算

在土壤源熱泵系統設計前進行全年動態負荷計算，了解冬夏冷熱負荷范圍及分布，并對地下埋管區的土壤溫度場進行測量和模擬分析，掌握土壤熱物性，掌握在動態負荷下土壤的溫度波動范圍和運行間歇期間土壤溫度的恢復情況，以基礎數據為根據對地埋管的深度、數量以及埋管間距進行合理設計和優化，確保地埋管換熱器高效運行。充足的設計前準備工作是優秀合理的設計的前提，只有對設計工況有足夠認識才能使設計方案更加合理可行。

3.2地埋管分區運行

在進行埋管設計時，可將埋管劃分為多個回路，輪流使用，在不同的負荷狀態下分區運行，使得各環路交替運行，土壤獲得更加充分的恢復時間，增強換熱效果。當系統所需負荷較小時，可優先考慮使用外圍環路，以加速周邊埋管土壤聚集冷熱量的擴散，避免中心局部過熱[2]。同時在埋管區土壤中心位置設置溫度傳感器，及時監控土壤溫度的變化，當土壤溫升超過規定數值后，開啟輔助調峰設備，避免熱堆積。條件合適的地埋管地源熱泵機房還可以設置自動控制和管理系統，以確保地埋管地源熱泵系統處于較好的控制和調節狀態。

3.3設置輔助冷熱源

對于冬夏季冷熱負荷相差較大的地區，最直接的解決冷熱不平衡的辦法是設置輔助冷熱源系統，以此來減小土壤的熱不平衡率。對于北方地區，夏季冷負荷小于冬季熱負荷，地埋管換熱器的長度按照夏季負荷進行設計，冬季運行時則輔以鍋爐或太陽能集熱器作為補充熱源。對于南方地區，冬季熱負荷小于夏季冷負荷，地埋管換熱器的長度按照冬季負荷進行設計，夏季運行時則輔以冷卻塔或熱回收技術來減少系統對土壤的排熱量，平衡冬夏對土壤的熱量輸出。在對輔助熱源進行控制時應以全年動態模擬作為基礎，確定輔助設備的開啟條件和運行時間。

3.4采用復合熱源熱泵系統

鑒于單一熱源熱泵應用時產生的諸多問題，熱泵的研究方向開始向可以將能源綜合利用的復合熱源熱泵發展。不同形式的熱泵聯合應用，取長補短，解決了單一熱源熱泵在應用過程中存在的問題，同時也在很大程度上擴大了熱泵技術的應用范圍。以土壤源熱泵為主的復合熱源熱泵系統的形式主要有以下兩種：

1）土壤源-空氣源復合熱泵系統

2）土壤源-太陽能復合熱泵系統

以土壤源-空氣源復合熱泵系統為例，北方地區，當冬季室外空氣溫度較低時，土壤源側換熱器運行，當系統從土壤中提取的熱量達到夏季回灌量時，系統切換至空氣源側換熱器運行，運行模式的具體控制策略需要前期模擬計算來確定，進而保證冬夏季系統從土壤中取放熱的平衡。

土壤源-太陽能復合熱泵系統可以全年綜合利用太陽能，通過太陽能與土壤源熱泵系統結合，一方面降低太陽集熱系統在冬季的工作溫度，提高太陽能集熱器的工作效率；另一方面通過太陽能的補熱，可以有效解決在寒冷和嚴寒地區土壤源熱泵面臨的冷熱不均的問題，擴大和改善了土壤源熱泵的使用范圍。

國內外對于各種復合熱源熱泵系統的研究內容主要集中在復合熱源熱泵的系統形式、循環性能、運行模式和經濟性分析。通過對復合熱源熱泵系統不同的系統形式和工作模式的研究，得到更為合理的系統運行模式，使得熱泵系統在整個運行季節都保持較高的運行效率及運行穩定性，復合熱源熱泵的應用可以大大減小埋地管的長度，系統具有較好的環保性和經濟性，擁有廣闊的發展前景。

目前，對于復合熱泵系統的研究還沒有形成完整、準確的理論體系和可靠的支持數據，所以復合熱源熱泵的推廣還有很長的一段路要走，還需要更多的研究成果來提供其推廣應用的理論依據。但是我們不難看出，復合熱源熱泵的優勢，它不僅克服了單一熱源熱泵存在的諸多問題，而且具有更明顯的節能優勢，利用兩種甚至多種的可再生能源不僅符合當前能源利用的發展方向，其靈活的系統組成方式更是對傳統熱泵系統的突破和創新。

總結

近年來，土壤源熱泵系統在我國快速發展，地下熱平衡問題在土壤源熱泵系統設計與使用過程中必須受到足夠重視，尤其對于我國目前應用較多的大面積密集布置管群陣列式土壤源熱泵系統，長期運行后必然會導致系統運行效率低下等問題，因此，土壤源熱泵系統在設計前必須對熱平衡問題做好規劃和設計，通過前期對項目的全方位考慮后提出合理的系統運行策略，同時設置有效的土壤溫度檢測系統和相應的調節控制系統保證系統的高效運行。

參考文獻：

[1] 何雪冰，劉憲英.北方地區應用地源熱泵應注意的問題[J].低溫建筑技術，2004，2：85-86.

[2] 馬宏權，龍惟定. 地埋管地源熱泵系統的熱平衡.暖通空調，2009，39（1）：102-106.

[3] 楊衛波， 陳振乾，劉光遠.土壤源熱泵系統地下熱平衡問題分析[C]// 中國制冷學會2009年學術年會.天津，2009.