土壤源热泵系统的热平衡问题

文章编号：CAR021

土壤源热泵系统的热平衡问题

马宏权龙惟定

（同济大学）

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

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。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。

我国的土壤源热泵系统数量和规模近年来不断增大，全国已经有多个数十万平米的土壤源热泵项目在建。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 或双U型土壤换热器群，或者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。这样普遍采用的密集型垂直埋管群和不断增大的土壤源热泵规模使得土壤换热器埋管范围内的土壤热平衡问题得到了越来越多的担心。

作者简介

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

E-mail: mhqtj@ 2 土壤热平衡问题的由来与影响

土壤源热泵依靠土壤换热器（underground heat exchanger）从地下土壤中提取温差能，热泵机组的热源和热汇是扩散半径范围内的土壤，因此全年运行的土壤源热泵系统需要考虑全年时从土壤取放热量的平衡问题，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。在大多数情况下土壤换热器全年从地下土壤获得的冷热量是不平衡的。在我国夏热冬冷地区，建筑物夏季供冷的时间要比冬天供暖的时间长大约2个月，夏季冷负荷绝对值也比冬季热负荷的绝对值高出近1倍，这样系统冬夏取放热量差异较大，运行一年后多余的热量会积累在地下引起土壤温度逐年上升，严重时土壤换热器内循环冷却水温可以达到40℃以上，造成热泵机组夏季的效率下降和制冷量严重降低。土壤温度升高是我国土壤热平衡问题的的主要可能性，如图1所示的上海某办公楼土壤源热泵系统，由于土壤换热器设置数量过少，每天系统启动后冷却水温度持续上升越6℃，热泵机组效率从启动工况的3.655下降到最不利时的3.155,降幅达13.9%。在我国东北地区由于以供暖为主，也可能出现土壤源热泵连年运行后土壤温度下降，热泵机组冬季制热效率降低和制热量下降，但是相对发生的情况较少。因此土壤源热泵持续运行后的土壤温度上升和下降是土壤热量收支失衡的两种形式，都对系统持续稳定运行不利。

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、土壤初始温度以及变化、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、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，其温度变化更是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空调负荷是系统的输入，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，只要每年空调系统向地下的冷热不平衡差值不超过项目所在地土壤固有的散热速度，则土壤就可以保持全年的热平衡。

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

需要说明在一些已建成项目中出现的土壤换热器由于温升过高而运行不利的情况，部分原因是设计不当土壤冬夏取放热不平衡造成的，但更多是项目土壤换热器设计数量过少、设计间距过小或运行管理不当造成的，这从后面的案例分析中可以清楚的看出。

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地下土壤中的热堆积对系统运行稳定性的影响。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。一年的土壤温升可能只是1℃的量级，对于热泵机组效率影响不大，但是处理不当五年或十年后的温升就会较高，造成热泵机组运行情况恶化。

3.2 土壤热平衡问题的影响因素

可以想象土壤温度变化对于土壤换热器内的逐时输入影响有一定的峰值衰减和时间延迟，加上土壤的热扩散在过渡季节有一个缓慢的自身温度恢复过程,这些复杂多变的过程对量化分析土壤热平衡问题造成了极大的困难，分层地质情况的差异、地下水含量与流速的复杂情况和逐时负荷的变动使得软件模拟对于实际情况的偏差难以精确控制。但剥离对土壤换热器换热效果的影响因素，对

实际项目土壤热平衡问题影响可以定性的从冬夏空调负荷情况、土壤换热器的间距、土壤换热器系统构成和实际运行情况进行分析。冬夏季节空调负荷绝对值和运行时间上的差异是土壤热平衡问题出现的根源，但是对于具体项目是确定和难以改变的,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，因此土壤源热泵的热平衡问题只能通过优化设计和规范管理共同来解决。

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由冬夏季节两条周期性变化的日平均温度波的相位和波幅叠加决定，同时还受空调间歇运行造成的多条逐时温度波变化影响。因此全年在以土壤换热器中心为半径各层土壤的温度变化规律大致相同，近似为多组以年为周期波动的正弦曲线。土壤换热器近壁处土壤的温度波动幅度较大，垂直土壤换热器半径方向上各处温度振幅迅速衰减，这是因为土壤换热器冬夏季节的取放热量对地下土壤温度变化是方向相反的两种扰动，拉大了土壤全年的温度波动，同时在相位上也有延迟，如下图模拟得到的某项目土壤逐月平均温度变化情况，土壤换热器内循环水供回水温差为5℃时，土壤换热器近壁处年温度变化在4℃左右，离开壁面1米处年温度变化已经衰减为0.9℃。

图3 某项目土壤换热器温度变化情况

当夏季工况结束时，土壤换热器周围土壤温度场并没有马上进入恢复阶段，而是按照滞后的相位温度继续逐次升高，直至达到该处波峰，这个相位的延迟在远离土壤换热器壁面3米的位置需要70天。这说明土壤自身的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在土壤源热泵各项热阻中占的比重较大，而且随着散热土壤半径的增大而增大，是土壤散热的瓶颈环节，因此土壤热平衡必须主要依赖于冬夏季节的取放热量平衡。同时也说明土壤温度的上升是动态的，夏季刚开始运行土壤源热泵的散热效果是比较好的，但当临近土壤换热器的温度波开始叠加而互相影响后，土壤换热器的换热效率会持续下降，地温持续升高。在经过过渡季节一定程度的热扩散和温度恢复之后，尚存的地下热堆积使得土壤温度高于初始地温，这又提高了冬季土壤源热泵的换热效率，随着冬季运行时间的推移，地温下降，土壤换热效率随之下降。

因此冬夏季节的运行工况存在一定的相关性，但共同的特点是换热效率随运行时间的持续而下降。

4 某土壤源热泵土壤温度变化实测分析

对武汉某从2004年开始运行的某大型住宅土壤源热泵空调系统进行了连续三个季度的监测，汇总数据的分析见图4-图8，分析可见如下几条规律：

1）冬夏空调运行季节中土壤温度的日变化很小，而且距离土壤换热器中心的距离越远，土壤温度受土壤换热器的影响越小，温度值越接近土壤的初始温度并且越稳定，即验证了土壤热失衡在日为单位的时间段上不会发生，见图4和图5。

2）对比图6和图7可见夏季土壤温升比冬季土壤温降明显，沿垂直土壤换热器半径方向的衰减也更为迅速，这是因为夏季空调负荷绝对值大于冬季造成的。