地埋管地源热泵系统的热平衡
地源热泵冷热平衡问题
地源热泵冷热平衡问题研究0 引言地源热泵与一般的空调系统相比具有显著的节能效果，这主要是由于其较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，从而可以很大程度地提高机组运行的COP。
同时，由于地源热泵系统不直接向空气中排放热（冷）量，因此它还是一种较为清洁的空调方式。
由于我国大部分地区都是夏热冬冷地区，也就是冬季需要供热，夏季需要供冷，所以我们只是单纯地把地下作为一个热量储备设备，夏季把热量储存到地下以备冬季来用，冬季储存冷量供夏季制冷。
但是，一般来说冬夏冷热负荷很难达到绝对的平衡，在长三角地区这种现象尤其明显。
如果出现严重的冷热不平衡的情况（极端情况就是单冷或单暖地区），就会导致地下温度逐步地升高或者降低（长时间运行）。
一般情况土壤温度降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3%～4%[1]，因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。
为推广地源热泵这种节能环保的空调系统在长三角地区的应用，本文提出了一种地源热泵系统全年冷热量平衡的方式。
系统介绍地源热泵热回收系统对于宾馆一类的建筑全年使用空调的同时还有生活卫生热水的要求，这一类建筑比较适合采用地源热泵机组。
该类建筑可以在夏季提供空调冷量，过渡季节空调采用全新风，冬季提供空调热量，同时全年利用地源热泵机组提供生活热水。
目前在夏季供冷的同时提供热量的方案比较少，这里采用在地源热泵主机地源侧增加热回收的方式来解决该矛盾。
图 1 为这种热量回收方式的原理图：当主机需要制冷时，阀门V1 关闭，V2 开启；当主机制热时，阀门V1 开启，V2关闭。
图 1 热回收方式原理图1.2 运行方案在夏季时，地源热泵主机蒸发器侧与空调用冷端进行换热，地源热泵主机冷凝器侧与地埋管换热器侧以及建筑物其他需用热（如生活热水）的热用户相接，热量只有一部分被土壤吸收；在冬季运行时，空调侧需要热量与地源热泵机组的冷凝器侧相接，同时建筑物还有其他需要供热的部分热用户，地埋管换热器侧与蒸发器侧相接，向地下排放冷量；过渡季节建筑物只有热用户需要提供热量，此时地源热泵主机冷凝器侧与热用户相连接，地埋管换热器侧与地源热泵主机蒸发器侧相连接，向地下释冷。
地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施
量＝∑ ［ 空调 分 区冷 负 荷 Ｘ （ １ ＋ Ｉ ／ Ｅ Ｅ Ｒ） ］ ＋ ∑输
送过 程得 热量＋ ∑水泵 释放 热量 。 地 源热 泵 系
一
７ 一
区域 供 热
２ ０ １ ５ ． ３期
统冬 季最 大 吸热 量： ∑『 空调 分 区热 负荷 Ｘ （ １ ＋ １ ／ Ｃ Ｏ Ｐ ） ］ ＋ ∑输送 过 程 失 热 量一∑水 泵 释 放 热 量 最 大释热 量 和最 大 吸热 量 与建筑 设 计冷
源热 泵效率 高 ２ Ｏ ％～ ４ ０ ％ 再者 地埋 管地 源热 泵 系统 充 分 利 用 了夏 季 制 冷 时 的 冷凝 热 ． 存 储 于地下 。有 效 地减 轻 了 城市 的夏季 热 岛效 应． 同时还 可 以提供 全年 的生 活热水 。 地埋 管地 源 热 泵 系统并 不 是一 种 万 能 的 空调 系统 ，它也 有 自己的 缺点 。首 先 它投 资 高 ．因为地 下钻 井埋 管 和 打井 都需 要 高 额 的
近 年来 在 节能 环保 和 能源 紧 缺 的大 环境
下 ．地 埋 管地 源热 泵 系统 在 我 国北 方尤 其是
夏 热冬 冷地 区逐渐 受 到设 计 院 、政府 及建 设
方 的青 睐 。 几 乎成 为夏热 冬冷 地 区全年 供冷 、
地埋 管地 源 热泵 系 统 之所 以能 广泛 的被 推广 ． 与它 的很 多优 点是 密 不 可分 ． 首 先 它既 不受 地表 温度 变 化 的影 响 ．也 不受 地 心 高温 的影 响 ．制冷 量 和制 热 量 的输 出是 常 年稳 定
了具体 的解 决措 施 。
【 关键词 】 地 埋管
土壤源热泵系统的地埋管热平衡分析
『ｏｓｕｔｎ Ｄｓａｏ ｒｅ Ｃｎｔｃｏ＆ ｅｇＦｒ ｏｃ ｒ ｌ ｉ Ｐ ｊｔ
ห้องสมุดไป่ตู้
土壤源热泵 系统 的地埋管热平衡分析
Ｈｅ ｔＢａａ ｃ ａ ｌｎ ｅＡｎａｙ ｉ ｏ ｎ －ｏ ｒ ｅＨｅ ｔ ｕｍｐ ｌ ｓｓｉ Ｇｒ ｕ ｄ ｓ ｕ ｃ ａ ｎ Ｐ
杨红辉
可行 的技术 ； 在我国 ， 建设部和一 些省市 的建 筑节能政策 中明
确提 出要推广使用地源热泵 。
对于传统空调 ，系统的设计主要是空调方案以及空调设 备的优化选择 ， 但对于土壤源热泵 系统 ， 其原理 是将 室内的冷
热量排放到大地中 ， 通过季节转换从大地吸热或排热。其中地
ｕ管的换 热效果 、 土壤温度的恢复周期 及土壤热平衡问题 。
从土壤取 、 放热量 的平衡 问题 。
２ ２ 目前 存在 的 问题 ．
根据建 筑热工规范我 国可分为 ５ 个区 ： 严寒地区 、 寒冷地 区、 夏热冬 冷地区 、 冬暖 地区和温和地区 。由于巨大的地 夏热
域 差异 ， 使得大 部分 地区的建筑物在一年之 中的冷 、 热负荷相 差甚大 ， 进而影 响热泵系统 。Ｒ ｔ ￣ｒ Ｐ等口 的相关研究 ｏｔ ｍａ Ｓ ］ 做
地源 热泵在欧美国家已得到普遍 应用 ，已被 充分证 明是成熟
本文结合北京市 “ 远洋 Ｌ ＶＥ 高端别 墅项 目， Ａ Ｉ” 根据地温 场实测数据和理论分析 ，从保证建筑物冷热负荷和土壤热平
衡的要求出发 ， 具体分析垂直地埋管的热力性质和特征 。 根据 项 目特定 的土壤地质条件 ， 总结出地埋管 的间距 、 ｕ管 、 单 双
下环路 系统是最为关键的一个环 节 ，深层土壤一年四季相对
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案一、冬夏季地下换热量计算：夏季向土壤中排放的热量Q1·= 597KW×（1+1÷5.15) -597KW×（1-1÷3.98)=713-378=335KW冬季从土壤中吸收的热量Q2·= 505KW×（1-1÷3.98)×2=756KW二、埋管孔数计算：冬季地埋管打孔数，口N2=756÷(40×0.045)=420口三、占地面积估算地埋管间距按四米计算，S=420×42=6720m2四、全年冷热不平衡校核计算整个制冷期向土壤排放的总热量：φ1=335KW×18×0.8小时×120×0.9天=整个制热期从土壤吸收的总热量：φ2=756KW×18×0.8小时×120×0.9天=冷热不平衡率U=φ1/φ2=0.443冷热不平衡率取值在0.8—1.15之间，则无需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
冷热不平衡率U＜0.8或＞1.15，则需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
说明：（以机组夏季运行120天、夏季运行120天、每天运行18个小时），空调全负荷使用系数见计算公式，我们按中原地区的气候条件,夏季制冷期为120天(6月1日—9月30日),冬季采暖期为120天(11月15日—3月15日),开动系数(制冷或采暖期内系统的开动天数比率)估算为0.90,主机使用系数为0.8[每天18小时运行,其计算依据是1/(0.17/A+0.39/B+0.33/C+0.11/D),其中A、B、C、D分别是在100%、75%、50%、25%负荷下运转的耗能量。
五、地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理1、冬季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.8862、夏季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.9433、冬季采用一台风冷热泵机组供应游泳馆空调；U=φ1/φ2=0.8864、安装锅炉对地埋系统补充热量:；按需调节5、屋顶布置太阳能，利用太阳能来实现地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理。
地埋管地源热泵系统热量流向图示及平衡关系分析
地埋管地源热泵系统的相关热量计算一直是考试的重点、热点。
GB 50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》第4.3.3 的条文说明，有关于地埋管地源热泵系统最大释热量和最大吸热量计算的描述。
但主要是针对地埋管循环水系统热量收支平衡，没有整个地源热泵系统的热量平衡关系。
因此本文拟从整体为研究对象，分夏季和冬季两种工况，分别对系统中各种热量得失进行分析，以循环介质为研究对象，建立热量平衡关系。
根据GB/T19409-2013《水（地）源热泵机组》，对于地埋管热泵机组，EER表示制冷工况的性能系数，COP 表示制热工况的性能系数。
1.夏季工况分析图1是夏季工况，各种热量在系统中的流向。
箭头指向流程线，表示系统循环介质吸热，箭头离开流程线，表示系统循环介质放热。
从图1可以看出，夏季热量主要是从空调系统流向土壤。
对于土壤而言，属于蓄热过程，对于热泵系统而言，属于放热过程。
冷冻水泵释热冷却水泵释热图1 地埋管地源热泵系统夏季热量流向示意图整个系统分为三个相互联系又相对独立的子系统。
左边是冷冻水循环系统，主要功能是从空调系统吸收热量。
右边是冷却水循环系统（地埋管循环水系统），它主要功能把热泵机组冷凝器的热量传递给土壤。
中间是制冷剂系统，其功能是把低温冷冻水循环系统的热量转移到高温冷却水循环系统。
对于冷冻水循环系统，热量满足公式（1）的关系：（1）式中：Q1—热泵机组夏季工况的制冷负荷。
对于制冷循环系统，热量满足公式（2）和（3）的关系：（2）（3）式中：Q2—热泵机组夏季制冷工况，冷凝器的负荷。
对于冷却水循环系统，热量满足公式（4）的关系：（4）式中：Q3—热泵系统夏季释热量或夏季土壤的得热量。
由公式（1）~（4）联立，得（5）热泵系统夏季释热量（夏季土壤的得热量）=（空调系统冷负荷Q y1+冷冻水泵释热量Q y2+ 冷冻水输送过程得热量Q y3）+冷却水泵释热量Q d1-冷却水输送过程散热量Q d2。
【真题2011-3-22】某建筑采用土壤源热泵冷热水机组作为空调冷、热源。
地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施
统 ，它 也有 自己 的 缺 点 。 首 先 ，它 投 资 高 。 因为 地
下钻井 埋管 和打井都需要高额的 费用 ，有 的工程 地
【 Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 】 Ｔｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｈ －
（ ４ ）复合式系统管理运行不 当。运行操作人员
嫌麻 烦 ，空 调 季 随 着 负 荷 增 长 不 及 时 甚 至 完 全 不 开 调 峰 设 施 ， 或 经 常 在 空 调 负荷 不 大 时 只 开 调 峰 设 施 而 不 运 行 地 埋 管 地 源 热 泵 系 统 ， 都 将 影 响 调 峰 设 施 的冷 热 平 衡 功 能 ， 进而导致冬夏季取放热量不平衡 ， 使 土 壤 出项 热 堆 积 。
ｉ ｍｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ， ｃ ｏ ｎｔ ｕ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｓ ｕ ｒ ｅபைடு நூலகம்ｓ
负荷 Ｘ（ １ ＋ １ ／ Ｅ Ｅ Ｒ ） ］＋ ∑输 送 过 程 的热 量 ＋ ∑水 泵 释 放 热 量 。地源 热 泵 系 统 冬季 最 大 吸 热量 ＝ ∑［ 空 调 分
引 言
近年来 ，在节能环保和能源紧缺 的大环境 下， 地埋 管地源 热泵系统在我 国北方尤其是夏 热冬冷 地 区逐渐受到 了设计院 、政府及建 设方 的青睐，几乎 成为夏热冬冷地 区全年供 冷、供 热的最佳选择 。它
（ ５ ）运行管理不善 ，过渡依赖于 自控系 统。任
何 控 制 系统 都 不 是 万 能 的 ，都 需 要 人 来 调 控 和 监 视
下钻井 埋管 的费 用甚至 与地 上空 调系 统 的费用接
地埋管地源热泵系统
地埋管地源热泵系统土壤源热泵为保证地下换热器系统的长期有效运行要求地下换热器系统一年中的取热和排热相平衡。
对冷、热负荷的平衡采取了以下措施解决：根据11页计算热泵机组全年从土壤吸热量11808MW,根据小区实际特点6.1利用毛细管回热在浦东雅典二期工程室外墙面和楼顶铺设毛细管网，分集水器40个，由4.3*0.8mmPP聚乙烯毛细管组成间距10mm的网栅，用乳胶将10mm边角保温板沿墙粘贴，粘贴平整，搭接严密, 在找平层上铺设保温层2cm厚聚苯保温板，在保温层上铺设铝箔纸, 在铝箔纸上铺设一层Ф2mm钢丝网，间距100×100mm，然后将毛细管固定在钢丝网上，填充C15以上砼，并于砼中掺入适量防龟裂剂。
浦东雅典小区二期计算铺设毛细管网总面积约为5500㎡，依照太原市年太阳辐射总量为5442.8兆焦耳/平方米~5652.18兆焦耳/平方米计算，年采集热能约为8288MW5500×5442.8≈29935400×106（焦耳）≈29935400×106÷4.2≈7127476×106（卡）≈7127476000（大卡）≈7127476000÷860≈8287763（千瓦）≈8288（MW）×0.4≈3315(MW)按照浦东雅典二期工程采暖期供暖150天，每天24小时计算，总面积约145025㎡，浦东雅典二期工程采暖期需要11808MW，太阳辐射年采集热能约为8288MW，由于年采集热能有限.又不能达到100%利用，我们按照40%的储存量计算是3315MW，由于夏季天气炎热，我们可以采用井水直通方式提取热能储存到地下，这样不紧大大的提高了能量的采集，同时也拟补了部分回热问题，而且夏季使用毛细管采集能量不但可以为冬季采暖储存能量，由于采集能量的过程中使得周围空气温度变低这样也使得室内空气变的凉爽清新。
6.2利用观赏池回热我们利用夏季地面人工观赏池提取热能，在小区内我们还设计了几处总面积约为1000㎡深1m的观赏池，在七、八、九月份也可以进行换热，我们选择3台水泵，扬程32m，观赏池内铺设PE-100聚乙烯管，管径DN50，间距1.25m，观赏池内主管线与地埋管主管线对接，进行换热，并使用温度控制器，电动阀门进行监控，据我们统计在夏季每天12小时换热以每100吨水（温差5度）采集500KW的热量计算每天循环3次：1000×3×90×500÷100＝1350MW整个夏天（按90天计算）可以采集1350MW的热能。
地埋管地源热泵系统的热平衡
热扩散和温度恢复能力是比较差的， 原因在于土壤本身 的热阻要高于管内对 流热阻和管壁的热阻 ， 因此随着散热半径的增大 ， 地埋管换热器 总热阻迅速 增大 ， 土壤 完全 依 靠 自身扩 散 取得 热平 衡所 需 的恢 复 时 间增长 。同 时 由于土 壤温度的传递是动态 的，需要认真分析不同地埋管换热器温度波的叠加 ， 比 如 夏季 刚 开始 运 行 时 ， 地 埋管 地 源 热泵 的 散 热效 果 是 比较 好 的 ， 但如 果 持 续 运行， 当不 同地 埋 管换 热 器 的温 度 波开 始 叠 加而 互 相影 响后 ， 就 会 出现 冷却 水温度升高和系统效率下降的情况， 此时土壤温度将进入快速上升期 ， 此后 地 埋 管地 源热 泵 的持久 运行 特 性将 变差 。 因此应根据需要合理设定地埋管换热器的布置间距 ， 如能适当增加地埋 管换热器钻孔的深度 ，也将有利于提高地埋管地源热泵系统 的持久运行特
性
对建筑物降温， 同时在大地 中蓄存热量以备冬季使用。该系统一般包括三个 环路： 地埋 管 换热 器环 路 、 热 泵 机组 环路 及空 调末 端 装置 环路 。
四、 某地 埋 管地源 热泵 土壤温 度变 化 实测分 析
测 试项 目位 于武 汉 ３ ８ ０ ０ ０ ｍ ２ 的约 ２ ０ ０ 户小 高层 住 宅居 民提供 空 调冷 热 源 。项 目设 计 夏 季冷 负荷 为 １ ５ ６ ０ ｋ Ｗ， 冬
工程 质量 与管理
地埋 管地源热泵系统 的热平衡
这 个 相位 的延 迟 越远 ， 离 地 埋管 换热 器 需要 的 时间越 久 。这 说 明 土壤 自身 的
一
、
刖 置
近年 来 ， 地 源 热泵 系 统不 断发 展 壮大 ， 在 其 发展 的过 程 中存 在 一 些 问题
地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析
地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析马福一刘业凤（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）摘 要通常，地埋管地源热泵年运行的吸排热不平衡，这会导致热堆积，引起系统性能下降。
结合浅层地热资源的性质和地域特性，综合分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来，及其对热泵运行和生态环境的影响，并结合热平衡问题的影响因素提出了解决热平衡问题的技术思路。
关键词地源热泵热平衡地域特性生态环境ANALYSIS OF HEAT BALANCE IN GROUND-SOURCE HEAT PUMPMa Fuyi Liu Yefeng(College of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, P.R.China)Abstract Usually,the annual absorbing and releasing load are always different in Ground-source heat pump running which will lead to heat accumulation, and the heat pump performance will degrade. Based on nature of shallow geothermal resources and regional characteristic, the cause of ground heat imbalance in Ground-source heat pump is analyzed. And heat imbalance impacting on heat pump operation and the ecological environment are also analyzed. Combined with the influencing factors of imbalance, the technical considerations for solving this problem is put forward.Keywords Ground-source heat pump Heat balance Regional characteristic Ecological environment.0 引言地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点[1]。
地埋管地源热泵系统热平衡论文
地埋管地源热泵系统的热平衡【摘要】本文分析了土壤源热泵系统地下热平衡问题的由来及对土壤温度分布和生态环境的影响，分析说明了热平衡的重要性，并提出解决土壤源热泵系统地下热平衡问题的方案。
【关键词】土壤源热泵，地下热平衡，解决方案中图分类号：q938.1+3 文献标识码：a 文章编号：一.前言近年来,以浅层土壤热能作为热泵冷热源的土壤源热泵技术得到了迅速发展，但相比地下水和地表水地源热泵系统其造价较高。
土壤源热泵采用地埋管换热器内循环介质与土壤进行换热，不涉及自然水源的开采要求和污染问题，适用性更广，安全稳定性更高。
地热换热器一般在一定区域内使用垂直单u或双u 型地热换热器采用密集布置方式，也可以利用建筑物本身的内部工程桩和灌注桩来进行密集的土壤换热器群布置。
在这样不断增加的密集型垂直埋管式布置的地源热泵的使用规模使得土壤换热器埋管范围内的土壤热平衡问题关注度不断的上升。
二.关于地下热平衡的问题1.冷热负荷差异土壤源热泵依靠地热换热器（underground heat exchanger）主要的原理在于从地下提取温度差，热泵机组的热量的散失和收集都来源于半径内的土壤，因此，土壤热源泵系统就需要在运行过程中考虑到半径内的土壤中热量的收集和散失之间的平衡问题，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。
地下热平衡问题的根源是土壤热失衡，造成土壤热失衡的原因是我国大部分地区的建筑物全年的冷热负荷差异过大，土壤的取放热量不同。
土壤热堆积问题存在久了，超出了土壤自身对热量的扩散能力，土壤渐渐偏离正常温度，使得热泵机组夏天的工作效率和制冷量大大降低。
土壤传热器的传热过程以土壤导热为主，同时包括了空气，地下水体等等，所以土壤的许多方面因素都会对传热过程产生一定的影响。
土壤的热量一部分由地下水带走，一部分是由土壤热传导带走的，热量传输给了大地。
，想让土壤保持热平衡，只要保持空调系统向地下的冷热不平衡差值不超出该地土壤原有散热速度就可以做到。
土壤源热泵系统中地埋管换热器热平衡问题及解决方案
黑龙江冶金
Heilongjiang Metallurgy
Vol． 31 No． 1换热器热平衡 问题及解决方案
范龙华1 ，王 勇2
（ 1． 哈尔滨华洁有限责任公司，哈尔滨 150001； 2． 哈尔滨物业供热集团有限责任公司）
摘 要： 本文介绍了土壤源热泵导致的土壤吸、放热不平衡以及解决这种热失衡的两种方案。 关键词： 地源热泵； 地埋管换热器； 性能系数 COP； 能效比 EER
系统的运行方式地源热泵的供冷可采取串联运行当室外温度很低建筑的热负荷较大单独采用地埋管换能采集的热量存储在蓄热水箱中地埋管中的水先在土壤中吸收部分热量然后再经过蓄热温从而提高其进入蒸发器时的温度随着蒸发器温度的提高热泵机组的性能系数cop也随之相对提高系统可以向用户提供更多的热量以满足采暖要求
第 31 卷 第 1 期 2 011 年3 月
地源热泵是以地表为热源的绿色节能技术。 竖直埋管换热器通常埋深在 30 ～ 100m 之间，其热 交换对象是 深 层 土 壤，而 深 层 土 壤 又 不 可 能 与 地 表环境进行 充 分 的 热 交 换，就 容 易 使 得 土 壤 出 现 取、放热的不平衡。
1 地下土壤热失衡的原因
我国幅员 辽 阔，各 地 域 建 筑 物 在 一 年 之 中 的 冷、热负荷 相 差 甚 大。 冬 季 通 过 热 泵 提 取 地 下 的 低位热能给建筑物供暖，同时，地下土壤的温度降 低； 夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地， 对建筑 物 降 温，同 时，地 下 土 壤 的 温 度 升 高。显 然，这种温度的升高或降低，对当年采暖（ 或空调） 季的地埋管换热器的传热性能有一定影响。如果 在 1 年中冬季从地埋管换热器中抽取的热量与夏 季向地埋管 换 热 器 输 入 的 热 量 平 衡，则 地 埋 管 换 热器在数年 的 长 时 间 运 行 后，地 下 的 年 平 均 温 度 没有变化，对 地 埋 管 换 热 器 的 性 能 没 有 影 响。 在 夏热冬冷地区，供冷和供暖的天数相差无几，冷热
【专业知识】解决地源热泵系统热平衡问题的方法
【专业知识】解决地源热泵系统热平衡问题的方法【学员问题】解决地源热泵系统热平衡问题的方法？【解答】土壤热平衡问题是地埋管地源热泵系统设计与应用中需要解决的首要问题，如今已经有不少方法应用在实际工程中，并取得了不错的效果，比如在系统中加入辅助冷热源、间歇式控制等措施。
其中使用较为广泛的措施就是采取混合式地源热泵系统。
混合式地源热泵即地埋管换热系统与辅助散热设备或辅助热源混合使用的热泵系统，分为室内换热系统和室外换热系统两大部分[1].1.冷却塔-地埋管地源热泵在南方地区，建筑负荷特点一般是夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以土壤热平衡问题是体现在土壤热量的堆积上。
在此种负荷特点下，设计中地埋管的热容量是以建筑物的热负荷作为设计基础，夏季供冷时采用辅助散热设备散去室内多余热量。
冷却塔是混合式地源热泵系统最常用的散热设备，在大部分工程设计中，通常是根据建筑全年累计总负荷计算热量得失，由系统对土壤取热量与散热量之差计算冷却塔循环水量从而选取冷却塔型号，在控制冷却塔时则固定时间启停。
但由于建筑负荷与周围环境息息相关且负荷变化是一个动态过程，所以不应该单纯以此法选取和控制冷却塔。
在文献【2】中提出了比较合理的冷却塔选型和控制方法，即由土壤在热泵制冷工况运行下的平均进水温度（根据经验数据或模拟计算得出）计算出冷却塔容量大小的平衡点T，查询当地全年逐时室外干湿球温度数据得出当室外湿球温度为T时室外干球温度的平均值，进而求得在此室外条件下的建筑冷负荷Qc，再根据热泵机组的EER值计算出机组的放热量Qf，由此选取冷却塔。
此法在选型计算中与建筑所在地区气候特点和建筑负荷特点都紧密联系起来，所以所得结果符合工程实际情况。
而冷却塔的启停控制方法是根据机组出水温度来判断是否需要冷却塔辅助，且当所选冷却塔出水温度小于土壤在热泵制冷工况运行下的平均进水温度时启用冷却塔（因此时在流量相同情况下，使用冷却塔比使用埋管更有利于提高机组的运行效率）。
地埋管地源热泵系统的热平衡
地埋管地源热泵系统的热平衡3同济大学 马宏权☆ 龙惟定摘要 分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来与影响,提出了解决该问题的技术思路,并结合实际项目的测试分析,讨论了对解决该问题有利的系统设计原则和运行模式。
关键词 地源热泵 热平衡 优化设计Ground heat balance in GS H PB y M a Hongquan★and L ong W ei di ngAbst r a ct Discusses t he cause a nd eff ect of ground heat bala nce in GS HP ,and p uts f orward t he technical considerations f or solving t his p roble m.Based on test data of actual p rojects ,discusses t he op timized system design f unda me ntal and op eration mode.Keywor ds GS HP ,heat bala nce ,op timization design ★Tongji University ,Shanghai ,China0 引言地埋管地源热泵(ground 2coupled heat p ump )系统的研究和项目实施是我国地源热泵(ground source heat p ump )系统三种形式中开始最晚的一种,其造价和运行费用相对也较地下水地源热泵(groundwater heat p ump )和地表水地源热泵(surface water heat p ump )系统要稍高[1]。
但这些并不妨碍地埋管地源热泵的迅速发展,原因在于地埋管地源热泵采用地埋管换热器(ground heat exchanger )内循环水换取土壤中贮存的温差能,没有对自然水源的开采和污染的担心,因此适用性更广,安全稳定性更高,尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的空调冷热源。
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析
20
埋管的合理设计、运行调控及其监控
➢ 地下埋管排列布置的优化设计 主要是对单根埋管所包含蓄能体的体形系数 的优化；
➢ 地下蓄能与释能过程的合理调控
基于地热能利用中的时空效应，通过改变蓄存能 量作用于蓄能体中的时间、空间及强度来控制蓄 能与释能过程，从而实现能量在蓄能体中的再分 布，以利于聚集能量的及时扩散，避免热堆积现 象的发生。
释能结束恢复后
先外后内释能模式土壤温度分布
28
（1）从能源有效利用的角度考虑（防止热扩散） 外强内弱模式优于内强外弱模式，先内后外模
式优于先外后内模式。 （2）从土壤热平衡角度考虑（强化热扩散）
内强外弱模式优于外强内弱模式，先外后内模 式优于先内后外模式
29
➢ 埋管区域土壤温度变化的监控
在埋管区土壤关键位置设置温度传感器，及时监 控土壤温度的变化，一旦温度超过设定置时，可 以开启辅助调峰设备，避免热堆积。
11
运行一年后土壤温度分布/℃
12
运行10年后土壤温度分布/℃
13
中心温度/℃
18.0
17.5
17.0
16.5
16.0
15.5
15.0
14.5
14.0 0
2
4
6
运行时间/年
8 10
埋管区中心温度随运行时间变化
14
地下热平衡对局部生态环境的影响
生态系统是指一定空间中的生物群落与环境组成的 系统，其中各成员借助能量和物质循环形成一个有 组织的功能复合体，任何一个子成员能量与物质的 改变都会破坏原有生态系统的正常循环。
பைடு நூலகம்21
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地源热泵系统热平衡分析
地源热泵系统热平衡分析摘要：地源（土壤源）热泵系统长期运行后会出现一个问题：土壤热不平衡问题，这是一个会严重影响系统高效稳定运行的问题，同时对土壤环境造成影响，基于地源热泵系统土壤热不平衡问题，本文从多角度进行了分析并提出了相应的改善措施。
近年来地源热泵应用的数量和规模在不断增加，该系统主要应用于住宅、写字楼和商场[1]。
地源热泵系统是在土壤中设置U型地埋管群作为系统的换热器，通过管内闭式水循环来进行放热或取热，这样系统在运行过程中不会对地下水和土壤造成污染，所以系统稳定性高，适用的范围较广。
但是该系统在多年的实际工程运行中，普遍出现了土壤热不平衡问题，即在地源热泵系统应用的范围内，系统换热端在运行周期内在土壤中的释热量和吸热量不等，土壤的热不平衡问题会随着运行年数的增长逐渐凸显，从而造成系统运行的效率逐步降低，同时土壤温度的变化对周边环境也有一定的影响，基于上述问题，本文对该问题产生的原因从对角度进行分析并提出的相应改善措施。
一、土壤热不平衡产生的原因地下土壤作为地源热泵系统的冷热源，夏季制冷时将室内热量取出释放到土壤中，冬季又从土壤中取出热量用于室内制热，循环往复这样实现能源的再生利用，因此为了保证系统的高效稳定运行，必须保证全年内地源热泵埋管换热器运行所在区域土壤的热平衡。
但是很多工程应用中地源热泵系统随着运行年数的增加，土壤中形成了热量或冷量的堆积，即土壤热不平衡。
土壤热不平衡造成埋管区域内的土壤温度升高或降低，使之逐渐偏离系统正常运行所需要的温度，从而系统的运行效率和稳定性会大大降低，而且土壤温度变化会在一定程度上对周边的生态环境造成影响[2]，因此必须解决土壤热不平衡这个问题。
根据现有的文献研究[3]，在全年热不平衡率为3%和10%的情况下，系统经过5年运行后，埋管区域内土壤的温度分别增长了0.81℃和2.81℃，可以看出埋管周围土壤温度的变化幅度随着热不平衡率的增加而增加，因此对系统的运行效率影响也增大。
浅谈地埋管热泵系统的热平衡解决方案
１ 地 源 热 泵 系统浅 层 地 热 能进 行 制 冷 、 热 的 高 效 节 能 可 以修 复 。 制
空调系统 ， 以地热能作为冷热源 ， 它 采用热泵机 组， 通过输入 少量 ３ 地 源 热 泵 的 热 平 衡 解 决 方 案 的 高 品位 能 源 （ 电能） 实 现低 品位 热 能 向高 品位 热 能 的 转移 。 ， 在 项 目实 践 中 ， 见 的 地 源 热 泵 热 平 衡 预 防 控 制 措 施 及 运 常 地 源 热 泵 系 统 工 作 原 理 是 ： 季 制 冷 时 ， 房 间 内 吸 收 热 夏 从 行 解 决 办 法 有 ： １ 科 学 计 算 空 调 冷 热 负 荷 ， 加 其 他 供 热 功 （） 增 量 ， 过 地 埋 管 换 热 器 向土 壤 排 放 这 些 热 量 ， 储 存 在 土 壤 中 ； 通 并 能， 如生活热 水、 泳池 加热等 。（） ２ 系统设计时 ， 先考虑冷热平 优 冬 季制热 时 ， 过地 埋管 换热器 从土 壤中 吸收热 量 ， 用 风机 通 利 衡辅助 调节措施 。 ３ 完善监控系统 。 （） 对土壤温度 及机房冷热源 盘 管向房间 内释放热 量， 以达到采 暖效果 。 能量进 行监测 ， 宜设置 自动控制 系统。（） 强技 术交底及运行 ４加 ２ 土壤 热 失 衡 现 象 及 其 形 成 原 因 管 理培训 。
土壤 温度 就会逐渐 下 降 ， 导致地 埋管 换热 器冬季 的换 热环 季 吸 收 的热 量 大 致 相 同 时 ， 年 土 壤 温 度 就 可 以 周 期 性 变 化 ， 行 ， 全
地 埋 管 就 能 正 常 工 作 ， 个 系 统 也 可 长 期 持 续 稳 定 地 运 行 。但 境 恶 化 ， 现 为 地 埋 管 换 热 器 出 水 温 度 下 降 ， 进 入 热 泵 机 组 整 表 即 从 在实 际项 目运行 中， 因空气温 度变化 、 空调 使用率 、 空调使 用时 的 蒸 发 循 环 水 温 度 降 低 ， 而 影 响 热 泵 机 组 的 制 热 效 率 以 及 运
试析地埋管地源热泵系统的热平衡
试析地埋管地源热泵系统的热平衡随着国内经济的不断变化发展，国内资源不足矛盾日益突出，为了解决这些资源矛盾，地埋管地源热泵体系顺势而诞生，并在国内得到推广。
地埋管地源热泵体系在使用过程中不断出现新的问题，其中土地热平衡的紊乱是最关键的重要情况。
文章经过讲述地埋管地源热泵体系的功能以及不足，研究地埋管地源热泵体系的热均衡情况。
标签：地埋管地源热泵系统；土壤热平衡1 地埋管地源热泵系统1.1 地埋管地源热泵体系的概念地埋管地源热泵体系并非我们所看到的使用地热生存的一个体系，而是使用地下温度并不高的可以储存热量的物体，开展热能量变换，经过稠密的竖直放置的地埋管，从地下的水源以及土壤内获取热量，提取再进行转变，成为新式空调的热量来源。
这种能源环保干净，因此相关措施在新能源范畴内有很高的应用。
在国内大多居住场所以及办公大楼使用这种地埋管地源热泵体系，符合我国实际情况，不过随着了解和深化，其中存在的问题也越多的显示出来。
1.2 地埋管地源热泵体系的用途主要是在有空调的地方会运用到地源热泵体系，之前我们使用的空调所需的能源是氟利昂，是一种化学商品，并且在运用时会有大量的对大气造成危害的气体排出，具有腐蚀的性质，对保护大气层的臭氧层有很严重的威胁。
最近几年人们对绿色的能源需要越来越显著，地埋管地源热泵体系措施应运而生，符合人们对绿色能源的需求，由于地源热泵是提取土壤以及水分的热量，因此形成的能源运用在空调上能够在很大程度上降低对空气的损害，广泛推行运用是必然的。
1.3 地埋管地源热泵体系存在问题地源热泵的好处，其对降低大气环境的污染方面确实有很大的贡献，不过体系自身还存在问题。
其吸收的土壤热量以及运用超过标准，对土壤自身热量均衡带来了很坏的影响，土壤的存在有自己生存的热量形式，地源热泵的出现吸取的热量打破了土壤自己的标准，也会对生态造成损害。
地源热泵自身存在的问题，要相关工作者开展宏观掌控，对地源热泵体系的运用程度开展设置，把土壤受到的压力进行降低，促进地源热泵体系成为真实的清洁、污染低的能源。
土壤源热泵系统中地埋管换热器热平衡问题及解决方案
１ 地 下 土壤 热 失衡 的原 因
我 国幅员 辽 阔 ， 地 域 建 筑 物 在一 年 之 中 的 各 冷、 热负 荷 相差 甚 大 。冬 季 通 过 热 泵 提 取地 下 的
温度 降低 １ 会 使 制取 同样热 量 的能耗 增 加 ３ ｏ Ｃ， ％
～
４ 。 同理 ， 于南 方 地 区 ， ％ 对 由于 夏 季 空 调 冷 负
Ｈｅ ｔ Ｂａ ａ ｅ Ｐｒ ｂ ｅ ｒ ｕ ｅ ｔ Ｅｘ ｈ ｎ ｅ ｎｄ Ｓ ｌ ｔｏ ｓ ｉ ａ ｌ ｎｃ ｏ ｌ ｍ Ｇ ｏ ｎｄ Ｈ ａ ｃ ａ ｇ ｒ ａ ｏ ｕ ｉ ｎ ｎ Ｇｒ ｕ ｏ ｎｄ — ｓ ｕｒ ｅ Ｈｅ ｔ Ｐｕ ｐ Ｓｙ ｔ ｍ — ｏ ｃ ａ ｍ ｓｅ
向土壤 的排 放 热 量 。此 时 ， 了使 土壤 能够 维 持 为
作 者 简 介 ： 龙华 ， 业 于 黑 龙 江 省机 械制 造 学 校 ， 炉 制造 专业 ， 就 职 于 华 洁 公 司 ， 事 新 能 源 开 发 工 作 。 范 毕 锅 现 从
４ ４
第 １期
Hale Waihona Puke 范龙华 ， ： 等 土壤源热泵 系统 中地埋管换热 器热 平衡 问题 及解 决方案
Ｋｅ Ｗ ｏ ｄ ： ｒ ｕ ｄ—ｓ ｕ ｃ ｅ ｔｐ ｍｐ；ｂ ｒ ｄ ｔｂ ｘ ｈ ｎ ｅ ；ｃ ｅ ｃｅ ｔ ｆｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ；ｅ ｅ ｇ ｙ ｒ ｓ ｇｏ ｎ ｏ ｒ ｅ ｈ ａ ｕ ｕ ｉ ｕ ｅ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｏ ｆ ｉｎ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｅ ｉ ｏ ｆ ｎ ｒｙ
负荷 基本相 等 ， 因此 ， 直地埋 管 地 源热 泵 的最 佳 垂 使用 区 域 是 夏 热 冬 冷 和 冬 夏 冷 热 负 荷 相 当 的地
区 。在 寒冷 地 区由于其 冬 季热 负荷 大 于夏 季冷 负 荷 ， 成热 泵 从 地下 土壤 的 吸热 量 大 于夏 季 向土 造 壤 的排 热量 ， 致使 土壤 温 度逐 渐 降低 、 备 耗 功率 设 上升 、 热性 能 系数 Ｃ Ｐ降低 ， 供 Ｏ 一般 情况 下 ， 土壤
基于热平衡分析的地埋管地源热泵换热方案模拟优化
基于热平衡分析的地埋管地源热泵换热方案模拟优化骆祖江;杜菁菁【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2018(034)013【摘要】为了确保丹阳中心城区浅层地热能可持续开发利用,避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期间出现热堆积问题,基于地下水渗流和热量运移原理,建立了丹阳中心城区地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型,结合未来地埋管地源热泵系统的运行工况,预测丹阳中心城区地下温度场的热平衡发展趋势.在此基础上,规划设计了3种优化方案:①按行政区划Ⅰ~Ⅴ个开发利用分区,调整地埋管间距分别为18,23,17,20,20 m;②地埋管间距5 m,加热秋季生活用水Ⅰ区157798 m3/d、Ⅱ区413235 m3/d、Ⅲ区339322 m3/d、Ⅳ区261266 m3/d、Ⅴ区276205m3/d,加热春季生活用水Ⅰ区473394 m3/d、Ⅱ区1239705 m3/d、Ⅲ区1017966 m3/d、Ⅳ区783798 m3/d、Ⅴ区828615 m3/d;③地埋管间距5 m,增设冷却塔辅助地埋管换热孔进行夏季排热,冷却塔夏季冷却温度Ⅰ区为4.35℃、Ⅱ区为6.12℃、Ⅲ区为4.87℃、Ⅳ区为5.29℃、Ⅴ区为4.80℃.3种方案均可以有效减缓和避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期内的热堆积问题.地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型是优化确定浅层地热能地埋管地源热泵可持续开发利用方案的有效方法.【总页数】9页(P246-254)【作者】骆祖江;杜菁菁【作者单位】河海大学地球科学与工程学院,南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TU111;TK52【相关文献】1.地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案 [J], 周学文2.地埋管地源热泵水平埋管冬夏季工况换热牲能及土壤温度场 [J], 那威;刘俊跃;宋艳3.地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究 [J], 王松松;刘光远;杨卫波4.地源热泵地埋管换热设计计算 [J], 程宗科;柯军;刘秋新;杨二平;高春雪5.基坑内地源热泵地埋管换热孔管涌处理的研究 [J], 齐志安因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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地埋管地源热泵系统的热平衡
地埋管地源热泵(ground-coupled heat pump)系统的研究和项目实施是我国地源热泵(ground source heat pump)系统三种形式中开始最晚的一种, 其造价和运行费用相对也较地下水地源热泵(ground water heat pump)和地表水地源热泵(surface water heat pump)系统要稍高。
但这些并不妨碍地埋管地源热泵的迅速发展, 原因在于地埋管地源热泵采用地埋管换热器(ground heat exchanger)内循环水换取土壤中贮存的温差能, 没有对自然水源的开采和污染的担心, 因此适用性更广, 安全稳定性更高, 尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的空调冷热源。
与欧美地埋管地源热泵主要采用水平埋管式地埋管换热器、通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同, 我国的地埋管地源热泵系统主要服务对象是规模较大的多层住宅和办公建筑, 地埋管换热器一般采用在一定区域内密集布置的竖直单U 甚至双U 形地埋管换热器群, 近年来还出现了利用建筑物地基内的工程桩或灌注桩密集布置地埋管换热器群的新方式。
这些密集型竖直埋管的方式虽然能较好地适应中国地少人多的国情, 但是也带来了技术上的隐患, 那就是地埋管换热器布置范围内的土壤热失衡问题, 它已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。
1、土壤热平衡问题的由来
地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量一般并不一致,
这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力, 造成其温度不断偏离初始温度, 并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降, 这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。
在我国东北以供暖为主的地区, 理论上也可能出现地埋管地源热泵连年运行后土壤温度下降, 但以供暖为主的系统采用辅助热源的比例较高, 实际出现土壤失衡的可能性较小。
在夏热冬冷地区, 建筑物夏季供冷的时间要比冬季供暖的时间长约2 个月, 供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1 倍, 在以供冷为主的地区这种差异更大。
这样, 系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升, 严重时会造成夏季高峰负荷期地埋管换热器内循环冷却水温度达40 ℃以上, 引起热泵机组制冷效率严重降低。
地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程, 它以土壤导热为主, 但同时还包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热, 因此土壤的热物性、含水量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个地埋管换热器的传热过程产生影响。
只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力, 就可以保持全年的热平衡。
2、国内土壤热失衡的几种常见情况分析
国内的地埋管地源热泵运行时间都不很长, 其持久运行情况还有待观察。
从目前运行中暴露出来的问题来看, 运行中的土壤热失衡主要可以分为以下几种情况:
1）地埋管换热器数量布置过少
出现最多的情况是为了节省地埋管地源热泵系统的初投资, 地埋管换热器数量布置过少, 从而引起空调季持久运行特性变差。
市场中恶性竞争引起的价格战助长了这种行为的蔓延, 应该引起足够重视。
2）地埋管换热器间距小
另外一种出现较多的情况是由于可供地埋管换热器布置的面积较小, 从而减小了地埋管换热器间距, 使得单个地埋管换热器的扩散半径减小,降低了持久运行特性。
3）热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹配, 造成局部土壤温升过高。
4）复合式系统管理运行不当
因为操作人员嫌麻烦, 空调季随着负荷增长不及时甚至完全不开启调峰设施, 或经常在空调负荷不大时只开调峰设施而不运行地埋管地源热泵系统, 都将影响调峰设施的冷热平衡功能, 导致系统冬夏季节取放热量不平衡率大于设计值, 土壤出现热堆积。
5）运行管理不完善, 造成不必要的运行困难
有些操作人员在部分负荷时间只开启部分热泵机组, 但不关闭其余热泵机组的阀门, 导致运行中机组的冷却水流量因为分流而过小, 从而冷却水温升过高。
这种问题其实不属于土壤热平衡问题, 完全可以通过改进运行管理来方便地解决。
3、土壤热失衡的解决方法
地埋管地源热泵的热失衡问题并不是技术上的难题, 完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。
解决的方法在于减小地埋管换热器群的密集度和冷热负荷的不平衡率：1）前者可以通过增大地埋管换热器布置的间距、减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷等措施进行；2）后者可以通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施实现。
1）有调峰的复合式系统
有调峰的复合式系统的整体经济性更好, 因此条件具备时应该优先考虑作为解决土壤热失衡的主要措施。
但是应该注意调峰系统同时也提高了剩余地埋管换热器的使用频率, 因此调峰后土壤承担的冬夏负荷不宜相差过大。
2）带热回收功能的地埋管地源热泵机组
利用带热回收功能的地埋管地源热泵机组提供生活热水, 在冬季增加了地埋管地源热泵系统的取热负荷, 在夏季回收了热泵机组向地下的冷凝排热, 在过渡季节部分带有全热回收功能的热泵机组还可以作为热水机使用从地下取热, 这对缓解土壤热失衡非常有益, 同时也可以提供廉价的生活热水, 对有生活热水需要的项目也是非常适合的一个技术手段。
3）此外, 条件适合时还可以采用以下技术手段缓解土壤热失衡问题:
1）将地埋管换热器与热泵机组对应设置成多个回路, 轮流使用,部分负荷时优先使用地埋管换热器布置的周边回路, 以延长地埋管换热器的温度自然恢复时间, 避免中心局部过热。
2）在地埋管换热器布置场地中心位置布置温度传感器, 对空调季土壤温度进行实时检测, 当土壤温升超过规定数值后, 启动调峰系统运行。
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）地埋管地源热泵即使不采用复合式系统, 也可以预留冷却塔位置和接口, 以保证如果持续运行出现土壤温升超出控制范围, 启动冷却塔辅助冷却。
4）对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以采用夏季冷却塔优先开启运行的复合式系统, 或者在空调不运行的夜间将冷却塔和地埋管换热器串联使用以冷却地下土壤, 可以很好地解决热失衡问题, 并不影响系统经济性。
由于地埋管地源热泵系统在夏热冬冷地区的主要节能优势在冬季, 在夏季, 常规冷水机组的效率提升并不明显, 因此在夏季灵活启动冷却塔并不降低系统的效率和经济性,但可以很好地改善土壤热失衡状况。