土壤源熱泵系統運行中現存問題及對策分析

許本亮，張 萍，馬景輝

（1.浙江商業職業技術學院，浙江杭州 310000；2.浙江理工大學，浙江杭州 310000）

土壤源熱泵系統運行中現存問題及對策分析

許本亮1，2，張 萍1，馬景輝2

（1.浙江商業職業技術學院，浙江杭州 310000；2.浙江理工大學，浙江杭州 310000）

土壤源熱泵方面的研究主要針對土壤源熱泵換熱性方面，相關研究已經很豐富，而針對水力方面雖然已有一定研究，但仍然寥寥可數，并且由于受到條件限制，或者實際情況的差異，導致不同研究的結果各不相同，適應性也比較窄，而且大多數研究主要是通過理論計算來獲得一些結果。因此造成了這樣一種結果：研究更趨向理論，換熱方面多，經濟性方面也有，水力計算方面則偏少，整體性方面，包括水力、換熱以及經濟性三方面綜合考慮的幾近于零。因此對土壤源熱泵整體性考慮來獲得一個最優控制策略比較有意義，對相關工程也有一定參考意義。

土壤源熱泵；運行；控制策略

1 背景與意義

地熱能是地球內部儲藏的可再生資源，一般而言它受資源、地域的限制較少，并且資源可以說近乎無限，而土壤源熱泵技術是對地熱能開發利用的一種節能新技術[1-8]。它以其自身的優勢，近幾年廣為興起進入了發展的黃金期，而從它的實際應用情況來看，完全可以取代以往暖通空調中鍋爐等會對環境造成污染的設備，且在極端天氣以及一些環境惡劣的地區，土壤源熱泵由于相對穩定的地下熱源溫度，始終能達到非常好的效果，具有顯著的優勢。

目前在我國，土壤源熱泵方面的研究主要針對土壤源熱泵換熱性方面[1-7]，相關研究已經很豐富，然而針對水力方面雖然已有一定研究，但仍然寥寥可數，并且由于受到條件限制，或者實際情況的差異，導致不同研究的結果各不相同，適應性也比較窄，而且大多數研究主要是通過理論計算來獲得一些結果。因此造成了這樣一種結果：研究更趨向理論，換熱方面多，經濟性方面也有，水力計算方面則偏少，整體性方面，包括水力、換熱以及經濟性三方面綜合考慮的幾近于零。因此對土壤源熱泵整體性考慮來獲得一個最優控制策略比較有意義，對相關工程也有一定參考意義。

2 土壤源熱泵系統簡介

地球土壤層是一個龐大的集熱體，它每年能吸收40% 以上的太陽能，比人類每年能源消耗量的數百倍，且地下溫度一年四季始終保持恒定，因而隨著環境溫度一年四季的變化，地下溫度呈現出冬暖夏涼的特點。

土壤源熱泵系統原理與傳統空氣源熱泵差別不大，具體原理如圖1所示，藍色和粉紅色箭頭所構成的循環回路是土壤源熱泵系統與土壤熱能之間換熱的回路，換熱介質為水，洋紅色與綠色箭頭所構成的循環為土壤源熱泵系統與室內空調機組末端之間換熱的回路，其換熱的介質為空氣也可以是水[9]，不同季節之間回路轉換可通過系統內部的閥門 Y1-Y4來控制，具體轉換詳見圖中表格。

圖1 土壤源熱泵系統原理圖

3 土壤源熱泵的優缺點分析

3.1 環保節能

土壤源熱泵系統利用水作為介質來獲得地下土壤的熱能，冬季可以作為熱泵的熱源代替常規熱源供暖，而夏季又可作為空調制冷的冷源代替常規冷卻塔制冷，且僅需少許電能供應就可運行，節能效果顯著。機組在運行中，不消耗水，占地面積小，對環境基本無污染，具有顯著的環保作用。

當前，我國政府提倡大力發展土壤源熱泵技術，廣泛采用可再生能源，而且中央建設部又明確地將土壤源熱泵技術列為建筑行業十項新技術之中，從一定程度上來說，土壤源熱泵具有廣闊的發展前景，潛力非常巨大[10]。

3.2 系統穩定壽命較長

相對于空氣來說，土壤具有熱容量巨大，所含熱能近乎無限，不受氣候環境變化影響，全年溫度基本穩定等優點。從而使得土壤源熱泵系統不像空氣源熱泵容易受到外界影響，運行效率高，且埋地管采用聚合塑料制成，壽命可達數十年，比普通空調系統使用的年限更久。

3.3 系統控制靈活

土壤源熱泵可采用多級分集水器，由多個機組分別控制該區域地下埋管回路，在負荷較大時，各機組可同時運行保證冷熱量的供應；在負荷較小時，可啟閉部分機組及地埋管回路，有效減少能源浪費，提高整個土壤源熱泵系統的運行效率。

3.4 初期投資較大

由于地下土壤熱阻較大，能源品位較低，且地埋管內流體介質與地下土壤之間熱交換效率較低，因此地埋管系統的布置通常需要比較大的面積或者埋管深度上的增加，即需要進行一定深度的鉆孔或者開挖較多的土壤，這直接導致了初期較大的投入。

3.5 長期運行導致地熱不平衡

土壤源熱泵地下埋管系統在于土壤進行連續吸熱放熱過程中，會導致土壤溫度出現大幅度的波動，從而破壞地下局部土壤的熱平衡，導致在冬季采暖時土壤溫度降低、夏季制冷時土壤溫度升高等結果，直接影響了熱泵系統的持續運行過程的效率，同時在冬季工況下有可能因為取熱過多而導致土壤凍結的結果，這都嚴重影響了土壤源熱泵的性能。

3.6 對系統設計施工要求高

要保證土壤源熱泵能夠高效持久運行，盡可能接近理論值，這要求整個工程從項目設計到施工都要具備較高的技術水平，而在現實中，往往由于缺少相應的具備相關能力的人才，而使得土壤源熱泵工程竣工運行達不到理想的結果，甚至得不償失，該項技術的進一步推廣與應用也從某種程度上受限于此。

4 土壤源熱泵系統問題分析

4.1 水力平衡問題

4.1.1 水力平衡問題的由來

土壤源熱泵是以室外地下埋管系統由流質作為介質，將地下低品位熱能帶到系統中加以利用，由于地埋管系統錯綜復雜，任何細小的差別都會導致系統運行不正常，在以往的實際工程經驗中，土壤源熱泵地埋管系統往往剛剛投入不久系統就開始出現問題，由于各環路水力平衡度相差太大，使得工質在實際流動的情況與預期設計的情況不相符，部分環路甚至直接產生短路效應，另一方面，在前述情況的前提下，系統長時間運行以后，部分環路由于流體流量較小，管路常年呈不飽和狀態，使得其部分管段沉積雜物甚至阻塞，直接導致管路壽命終結，由于地下埋管深埋土地層深部，從外部無法獲知地埋管系統具體情況，故無法進行有效修復，所以，地埋管環路如果阻塞損壞，則意味著直接宣告報廢。從而整個系統無法正常工作。

4.1.2 水力失衡的原因

導致地埋管環路水力失衡的因素很多，以下面幾個原因較為常見：

（1）設計初期沒有經過嚴謹的水力分析計算；

（2）實際安裝過程中沒有嚴格按照工程圖紙安裝；

（3）為節省運行費用而隨意關閉部分環路。

要規避這些原因，必須要求設計師具有一定的知識水平，在設計初期對整個建筑周邊環境進行詳細考察，最后設計出圖紙，此外，在對整個系統的設計中，避免設計偏大，就必須進行詳細分析計算。

4.2 熱平衡問題

4.2.1 熱平衡問題的由來

在實際運行中，土壤源熱泵系統向土壤蓄存的熱量與向土壤蓄存的冷量一般不可能完全抵消，雖然單根地埋管的對土壤的吸放熱作用可以靠土壤自身消除熱溫度失衡帶來的影響。但是面積稍微較大的土壤源熱泵管群共同作用時，就會使得局部區域的溫度失衡，從而導致土壤溫度的稍微波動，而在系統長期運行以后，這種影響就會使得土壤溫度呈現連續的升高或者降低的趨勢，從而使得地埋管群換熱溫差變小，換熱效率下降。此外，土壤溫度的不斷變化甚至可能破壞土壤微生物的生存環境，并有可能對人類生活造成影響。

國內有關文獻對土壤源熱泵系統的熱不平衡問題進行了相應的研究[10]，研究人員采用 3% 和 10% 的冬夏熱不平衡率作為初始條件進行模擬實驗，得出結果是：5a 的運行之后，3%和 10% 熱不平衡率的土壤，其溫度分別升高了 0.51℃和 2.77℃。結果表明熱不平衡率越大，土壤溫度變化也越大，對系統換熱影響也越大。

4.2.2 土壤熱平衡問題分析

由于建筑帶來的冷熱負荷不平衡，如果空調冷熱負荷全部由土壤源熱泵系統承擔，那么系統從土壤中吸收蓄存的冷熱量也就不平衡。當不平衡率超過一定范圍，隨著土壤源熱泵系統不斷的運行，土壤中熱量或冷量不斷堆積，最后就導致了土壤溫度的逐漸升高或不斷降低。

4.2.3 土壤熱平衡問題原因

造成土壤熱不平衡的原因主要是以下幾方面：

（1）建筑夏季所需的冷負荷與冬季所需的熱負荷差別比較大；

（2）為了節省初投資，在設計時減少了地埋管的數量，并且沒有附加輔助設備；

（3）施工不到位，運行管理不合理。

4.2.4 土壤熱平衡問題的解決方法

如何解決土壤熱平衡問題，主要可以考慮下面兩個因素：（1）采用輔助散熱設備消除熱量峰值影響；

（2）調整系統運行策略，適當讓系統停止工作，讓土壤處于溫度恢復狀態。

4.3 系統生命周期投資問題

4.3.1 投資問題的由來

土壤源熱泵投資問題是橫亙在推廣土壤源熱泵發展上的一大難題，一般而言，初投資有很大一部分集中在地下鉆孔上面，在我國，地下鉆孔平均大約 100 元 /m，高昂的挖井費用使得很多想要采用土壤源熱泵系統的公司望而卻步，一般來說，一個中型建筑采用土壤源熱泵系統，需要在地上鉆100～200口井，平均深度60m，那么總鉆孔費用則大概在60～120萬元，而在實際中，所花費的費用遠遠超過這一數值。因為鉆孔受到很多地下土壤未知因素的影響，比如土質，深度等。

4.3.2 緩解初投資過大

為了推廣土壤源熱泵系統，必須解決初投資過大的問題，主要方式有以下兩點：

（1）在系統中添加一個輔助散熱 /供熱設備；

（2）部分采用土壤源熱泵系統，部分采用其他方式供熱/制冷。

雖然初投資過大，但是從整個生命周期來看，土壤源熱泵仍然不失為一個比較好的選擇，通過兩個同樣條件下的土壤源熱泵空調系統和空氣源熱泵空調系統相比較可以發現，土壤源熱泵空調系統由于較為省電，年運行費用遠遠小于普通中央空調系統。因此，在考慮采用土壤源熱泵系統時，要充分考慮整個周期內的費用。

5 結束語

綜上所述，在實際工程中比較常用的地源熱泵通常是垂直埋管式土壤源熱泵系統，這種系統占地面積相對來說較小，對環境污染較小并且換熱性能較好，雖然初投資較大并且長期運行系統穩定性會下降，但是綜合考慮各種因素，仍然不失為一個比較好的選擇。對于具體工程案例需要首先對系統冷熱負荷進行校核分析，經校核需采用復合式土壤源熱泵系統的，在實際運行控制策略中需要合理調配二者之間分擔的負荷。

1）對解決已有系統的水利不平衡問題，一般采用設置平衡閥的方式。

2）根據實際用戶需求以及泵與管網特性曲線調節流量。

3）夏季分時段調節冷卻塔以及地埋管束相應的運行工況，一般而言，為了減弱土壤熱不平衡趨勢，在夏季系統工作時應盡可能多地使用冷卻塔與地埋管束同時工作。但是在制冷負荷需求最大并且已經采用冷卻塔加入工作的時候，需要保證地埋管束的工作流量不小于最小熱失衡流量，以滿足系統需求。

[1] 杜詩民，劉業鳳，艾永杰，等.地埋管換熱器傳熱特性模擬與試驗研究[J].流體機械，2015，（1）：1-6.

[2] 李志方，鄔田華，胡平放.土壤源熱泵水平螺旋地埋管換熱器換熱性能研究[J].制冷與空調，2014，（12）：118-123.

[3] 孫兆軍，朱建章.上海虹橋站地埋管地源熱泵系統設計與分析[J].暖通空調，2010，（5）：20-27.

[4] 袁艷平，曹曉玲，雷波，等.中國地區土壤源熱泵系統研究進展評述[J].四川建筑科學研究，2010，（2）：252-257.

[5] 毛佳妮，陳煥新，馮廣昌.土壤溫度場對垂直單U形埋管換熱性能的影響分析[J].制冷與空調，2009，（1）：88-92，69.

[6] 陳萌，官燕玲.U 型波紋埋管對于增強土壤源熱泵換熱性能的研究[J].節能，2009，（2）：17-20，2.

[7] 於仲義，胡平放，袁旭東.土壤源熱泵地埋管換熱實驗研究[J].華中科技大學學報（城市科學版），2008，（3）：157-161.

[8] 李新國.土壤源熱泵-供暖空調節能環保技術[J].節能與環保，2001，（2）：16-18.

[9] 王芳.土壤源熱泵系統實際設計應用[J].區域供熱，20014，（2）：33-41.

[10] 徐輝，劉光遠，楊衛波.夏熱冬冷地區地源熱泵系統熱平衡分析[J].山西建筑，2014，（14）：148-150.

Discussion on the Existing Problems and Countermeasures in the Operation of Ground Source Heat Pump System

Xu Ben-liang，Zhang Ping，Ma Jing-hui

At present，the research on geothermal heat pump in China is mainly aimed at the heat transfer of the geothermal heat pump.The related research has been very rich.However，although there are some studies on the hydraulic aspects，there are still few，And because of the conditions of the constraints，or the actual situation of the differences，resulting in different research results are different，adaptability is relatively narrow，and most of the research is mainly through the theoretical calculation to get some results.As a result，there is a tendency to study the theory，the heat transfer，the economic aspects，the hydraulic calculation is less，the overall aspects，including water，heat and economic aspects of the three considerations zero.Therefore，it is meaningful to consider the optimal control strategy for the overall consideration of the geothermal heat pump，which also has some reference significance for the related engineering.

ground source heat pump；operation；control strategy

TU83

B

1003-6490（2017）06-0169-03

2017-05-02

許本亮（1984—），男，河南商丘人，助教，主要研究方向為建筑節能。