土壤源热泵的热平衡问题

土壤源热泵系统的热平衡问题

同济大学马宏权* 龙惟定

摘要本文分析了土壤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，并结合几个项目的问题分析和实测讨论了对解决该问题有利的系统的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 GSHP

By Ma Hongquan★ Long Weiding

Abstract Discusses the Ground Heat Balance in GSHP, puts forword technology plan for solve this problem, combine test data of several actual project discuss the optimized system design fundamental and operation mode.

Keywords GSHP Heat balance Optimize design

★ Tongji University , Shanghai, China

1、引言

土壤源热泵系统（ground-coupled heat pump）的研究和项目实施是我国地源热泵系统（Ground Source Heat Pump）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（underground water Heat Pump）和地表水地源热泵系统（surface water Heat Pump）要稍高[1]。但这些都并不能妨碍土壤源热泵成为迅速发展的一支力量，原因在于土壤源热泵采用土壤换热器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要求和污染的担心，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解决思路。

马宏权，男，1979年1月生，在读博士研究生。上海市曹安公路4800号同济大学嘉定校区13-306信箱 201804 （021）69584901 E-mail: mhqtj@

本文得到国家科技部、上海市政府部市合作2005年世博科技专项课题《城市清洁能源高效利用系统技术研究与示范》（课题编号05dz05807，2005BA908B07）的资助

随着我国的城市化进程和能源紧缺的形势发展，土壤源热泵系统的数量和规模近年来快速增加，全国已经有多个数十万平米的土壤源热泵项目开始运行。与欧美土壤源热泵主要是布置水平埋管式土壤换热器，通过小型热泵机组承担别墅等小型住宅空调的方式不同，我国的土壤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，土壤换热器一般采用在一定区域内密集布置的垂直单U甚至双U型土壤换热器群，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土壤换热器群的新方式。这些密集型垂直埋管的方式虽然能较好的适应中国地少人多的国情，但是也带来了技术上的隐患，那就是土壤换热器布置范围内的土壤热平衡问题，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[2]。

2、土壤热平衡问题的由来

土壤源热泵依靠土壤换热器（ground heat exchanger）从地下土壤中提取温差能，虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤温差，但土壤换热器夏季累计向土壤的放热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其初始温度，并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。土壤源热泵周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果，都对系统持续稳定运行不利。如果土壤源热泵系统承担全部空调负荷，大多数情况下其全年从土壤的取放热量是不平衡的，在我国主要的可能性表现为散热量多于取热量。这主要是由于供冷季、供暖季持续时间和负荷强度有明显差异，而且夏季土壤还要承担制冷机组和水泵等设备散热造成的。例如在夏热冬冷地区，建筑物夏季供冷的时间要比冬天供暖的时间长约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，越在供冷为主的地区这种差异越大。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，严重时可以造成夏季高峰负荷期土壤换热器内循环冷却水温达40℃以上，引起热泵机组的制冷效率严重降低。如图1所示第三年运行的上海某办公楼土壤源热泵系统，由于系统投入运行后建筑物实际夏季负荷大于设计状态，造成土壤换热器数量不足，每天系统启动后冷却水温度从37℃的高位持续上升约6℃，热泵机组效率从启动工况的3.66下降到最不利时的3.14,降幅达13.9%，很明显土壤源热泵系统此时不但效率降低，而且持久运行特性也已

变差。在我国东北以供暖为主地区，理论上也可能出现土壤源热泵连年运行后土壤温度下降，但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。

图1 某办公楼土壤源热泵系统的夏季冷却水温实测

图2 某办公楼土壤源热泵系统的夏季COP实测

土壤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，但还同时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、流速等都对单个土壤换热器的传热过程产生影响。对于土壤换热器群中特定位置处的土壤其温度变化还受临近位置多个土壤换热器温度波在该处的迭加。空调运行期间周期性变化的负荷输入加上过渡季节空调系统的停运，引起了土壤换热器周围的土壤温度场总处在“升温→降温→升温”的循环变化过程中。土壤的散热包括两方面，一方面为地下水迁移带走的，另一方面为土壤的热传导所带走的热量，散热的对象都是大地，由于大地本身具有足够

大的容积，所以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。

3、土壤热平衡的特征

3.1土壤热平衡的时间尺度

土壤热平衡问题与土壤源热泵的运行过程紧密相关，但是它所征对的并不是系统某个夏季运行中的土壤温升或冬季运行中的土壤温降，而是运行一个周期年之后土壤温度与初始土壤温度的变化，以及连续运行多年后土壤热堆积对系统运行特性的影响。因此分析土壤热平衡问题的时间尺度应该是系统寿命周期内是以年为单位的离散点。一年的土壤累计温升可能只是1℃的量级，对于热泵机组和系统效率影响不大，但是处理不当五年或十年后的温升就会较高，造成系统运行情况明显恶化。

3.2土壤热平衡问题的影响因素

空调季节土壤换热器内的逐时负荷输入造成土壤温度波向远离土壤换热器壁面方向传递，但对于远离其壁面不同距离处有不同的峰值衰减和时间延迟，此时的土壤是热泵的热源或热汇，传热是通过土壤换热器内的强制对流逐次传递给与土壤的。而过渡季节空调停运时的土壤热扩散则是自然传热过程，土壤换热器附近的土壤由于其储热向远处扩散而造成自身温度缓慢趋于初始值。可见土壤的热平衡是个复杂多变的过程， 量化分析有理论上的困难[3]，但更为麻烦的是复杂的分层地质差异、多变的地下水含量与流速、长期运行空调逐时负荷的变动等诸多微观因素，使得贴近实际情况的模拟软件模型搭建困难，如此长模拟时间对于实际情况的偏差也难以控制[4]。但剥离土壤换热器换热效果的影响，土壤热平衡问题主要受冬夏空调负荷情况、土壤换热器的间距、土壤换热器系统构成和实际运行情况几方面进行分析。空调负荷差异是土壤热平衡问题出现的根源，但是对于具体项目这是确定和难以改变的,而系统构成和间距则在设计当中可以调整和优化,后期运行管理是落实设计中技术措施的关键环节。设计合理的系统管理运行不当也会造成全年热失衡或季节局部土壤热平衡不利，因此土壤源热泵的热平衡问题应该主要通过优化设计和规范管理来共同解决。

3.3土壤温度变化的趋势分析

土壤换热器周围的土壤温度变化总是由内向外逐层传递，任何一点的逐时温度主要