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【摘要】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，并提出了解决的措施。
【关键词】地埋管地源热泵热平衡
中图分类号：TF544.3 文献标识码：A 文章编号：
地源热泵分水源和土壤源两种，其中水源热泵由于需利用地下水或者地表水资源，可能对环境造成不利影响，因此发展受到一定的制约;土壤源热泵利用土壤来吸排热，对环境影响相对较小，故具有更好的应用前景。当然利用土壤来吸排热可能会引起地下土壤层温度的改变，从而导致土壤的热平衡问题，若处理不好热泵的节能和运行效果都会受到很大的影响。同时我国多样的气候特征而造成的浅层地温分布不均的客观环境也要求地源热泵在应用中必须因地制宜。
一、地源热泵系统
地源热泵是利用地下浅层地热能进行制冷、制热的高效节能空调系统，它以地热能作为冷热源，采用热泵机组，通过输入少量的高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位热能的转移。地源热泵系统工作原理是：夏季制冷时，从房间内吸收热量，通過地埋管换热器向土壤排放这些热量，并储存在土壤中；冬季制热时，通过地埋管换热器从土壤中吸收热量，利用风机盘管向房间内释放热量，以达到采暖效果。
二、土壤热平衡问题的产生
在全年制冷、供热周期内，因建筑空调冷暖负荷需求量不等，地埋管热泵系统从土壤中吸收的冷热量也不等。土壤中多储存的冷热量会导致土壤的温度高于或低于土壤初始温度，即出现土壤热失衡现象。理论上，当地埋管夏季排放的热量和冬季吸收的热量大致相同时，全年土壤温度就可以周期性变化，地埋管就能正常工作，整个系统也可长期持续稳定地运行。但在实际项目运行中，因空气温度变化、空调使用率、空调使用时间等因素，夏季系统向土壤中排放的热量和冬季吸收的热量相差较大，这就导致土壤温度升高或降低。长期运行后，热量堆积，这就加剧了土壤热失衡。
地源热泵系统并不是一种地热利用系统，它只是将地下含水层、土坡、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸排热的蓄热体。从地质构造上来讲，地下30-300m间的地层是一个受太阳照射与气温影响和地核导热与对流影响的恒温层，这个恒温层的温度与当地全年平均气温有很好的相关性，但完全不受当地四季气温变化的影响。并且，由于地壳的导热系数小，热容量大，短期内此恒温带的温度恢复不可能由地表太阳照射或深层地热资源来补充。而一般情况下，地埋管换热器与扩散半径范围内的土壤换热过程中，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，加之地源热泵有很强的地域性，刘晓茹以一幢地上二层别墅为例，在假设建筑物采用了相同的围护结构，通过软件对我国5个典型气候区域代表性城市的全年逐时空调负荷，结果如图1所示。各地都不同程度的存在吸排热不平衡的状况。
图1五个代表城市的全年吸、排热量不平衡率比较
恒温层作为热泵热源和热汇的蓄热体，这就要求地埋管与扩散半径内土壤的换热要满足地源热泵在一个运行周期内（一年），其吸排热差值不能超过土壤固有的散热能力，否则将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，出现地埋管地源热泵热失衡问题。
三、热平衡问题的解决方法
在项目实践中，常见的地源热泵热平衡预防控制措施及运行解决办法有：（1）科学计算空调冷热负荷，增加其他供热功能，如生活热水、泳池加热等。（2）系统设计时，优先考虑冷热平衡辅助调节措施。（3）完善监控系统。对土壤温度及机房冷热源能量进行监测，宜设置自动控制系统。（4）加强技术交底及运行管理培训。其中，针对冷热平衡辅助调节措施，笔者作了以下2方面的具体分析：
1、系统全年放热量小于吸热量
地源热泵系统全年向土壤的放热量小于吸热量，长时间运行，土壤温度就会逐渐下降，导致地埋管换热器冬季的换热环境恶化，表现为地埋管换热器出水温度下降，即进入热泵机组的蒸发循环水温度降低，从而影响热泵机组的制热效率以及运行的经济性。当进水温度过低导致热泵机组蒸发器出水温度低于4℃时，机组就会因蒸发温度过低而自动停机保护。为了保证系统的稳定性及经济性，从设计时就应做好布局，宜按照制冷负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备，若所选热泵机组制热量不能满足总制热负荷需求，应采用辅助热源加热的方式来补充。常见的辅助热源形式有城市热力、燃气锅炉、电锅炉蓄热、风冷热泵及太阳能光热等。从经济、环保的角度考虑，宜优先采用风冷热泵、太阳能等清洁能源。下面以太阳能光热辅助进行举例说明：联合太阳能系统的运行方式包括串联运行和并联运行。在室外温度较高、热负荷较小的情况下，太阳能和地源热泵系统就需要交替运行以维持稳定平衡的地热系统，此时采用并联的运行方式；在室外温度很低、建筑热负荷量较大的情况下，则采用串联的运行方式。
2、系统全年放热量大于吸热量
地源热泵系统全年向土壤的放热量大于吸热量，长时间运行，土壤温度就会逐渐升高，导致地埋管换热器出水温度升高，即进入热泵机组的冷凝器循环水温度升高，从而影响热泵机组的制冷效率以及运行的经济性，造成主机制冷量衰减。
此条件下，系统宜按照制热负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备，若所选热泵机组制冷量不能满足总制冷负荷需求，应采用辅助冷源的方式来补充。常见的辅助冷源形式有冷凝热回收装置提供热水辅助系统、冷却塔辅助系统、地表水辅助冷却系统等，下面分别对其进行介绍：（1）采用冷凝热回收装置提供热水辅助系统。该辅助系统易于充分发挥热泵机组热回收功能，夏季制冷时免费回收冷凝余热，制取生活热水或给泳池等加热，能加大热泵系统取热负荷、延长使用时间，缩小全年土壤的放热量与吸热量之差，从而达到控制热平衡或减少辅助冷源装置投入的目的。（2）采用冷却塔辅助系统。冷却塔分为开式和闭式2种，由于闭式冷却塔价格高于开式冷却塔好几倍，因此开式冷却塔成为了首选。由于投资低、技术成熟、使用方便、设计简单，目前多数地源热泵系统采用开式冷却塔作为辅助冷源，但是冷却水水质问题往往被大家忽视。设计师习惯将开式冷却塔管道与闭式地埋管换热器管道直接连接，利用监控系统切换电动阀门运行，这就会导致开式冷却水中的悬浮物、铁锈等杂质混入地埋管换热系统，从而造成地埋管水系统的污染。而污染水中的杂质极易沉积在垂直埋管底部，引起管道堵塞、水流不畅、水力平衡失调，进而导致垂直埋管换热器失效。（3）采用地表水辅助冷却系统。考虑到系统美观、节能等因素，当有湖水、河水等地表水源条件时，宜优先采用地表水作为辅助冷却水，同时应严格按照《地表水环境质量标准》进行设计及排放水环境影响评价。
结束语
目前，地源热泵技术在国内发展速度较快，作为一种新型技术，我们必须控制好其设计、建设、运行管理的每个阶段，深入研究建筑负荷特性，充分考虑安全保障措施，建立监控系统，优化运行管理模式，以确保该系统能科学、合理、良性地运行。
参考文献
[1] 曾宪斌，李娟.地源热泵的地域特性及热平衡问题[J].能源技术.2007(06)
[2] 马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调.2009(01)
[3] 朱宝仁.地源热泵技术的应用分析与问题探讨[J].山西能源与节能.2009(04)
【关键词】地埋管地源热泵热平衡
中图分类号：TF544.3 文献标识码：A 文章编号：
地源热泵分水源和土壤源两种，其中水源热泵由于需利用地下水或者地表水资源，可能对环境造成不利影响，因此发展受到一定的制约;土壤源热泵利用土壤来吸排热，对环境影响相对较小，故具有更好的应用前景。当然利用土壤来吸排热可能会引起地下土壤层温度的改变，从而导致土壤的热平衡问题，若处理不好热泵的节能和运行效果都会受到很大的影响。同时我国多样的气候特征而造成的浅层地温分布不均的客观环境也要求地源热泵在应用中必须因地制宜。
一、地源热泵系统
地源热泵是利用地下浅层地热能进行制冷、制热的高效节能空调系统，它以地热能作为冷热源，采用热泵机组，通过输入少量的高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位热能的转移。地源热泵系统工作原理是：夏季制冷时，从房间内吸收热量，通過地埋管换热器向土壤排放这些热量，并储存在土壤中；冬季制热时，通过地埋管换热器从土壤中吸收热量，利用风机盘管向房间内释放热量，以达到采暖效果。
二、土壤热平衡问题的产生
在全年制冷、供热周期内，因建筑空调冷暖负荷需求量不等，地埋管热泵系统从土壤中吸收的冷热量也不等。土壤中多储存的冷热量会导致土壤的温度高于或低于土壤初始温度，即出现土壤热失衡现象。理论上，当地埋管夏季排放的热量和冬季吸收的热量大致相同时，全年土壤温度就可以周期性变化，地埋管就能正常工作，整个系统也可长期持续稳定地运行。但在实际项目运行中，因空气温度变化、空调使用率、空调使用时间等因素，夏季系统向土壤中排放的热量和冬季吸收的热量相差较大，这就导致土壤温度升高或降低。长期运行后，热量堆积，这就加剧了土壤热失衡。
地源热泵系统并不是一种地热利用系统，它只是将地下含水层、土坡、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸排热的蓄热体。从地质构造上来讲，地下30-300m间的地层是一个受太阳照射与气温影响和地核导热与对流影响的恒温层，这个恒温层的温度与当地全年平均气温有很好的相关性，但完全不受当地四季气温变化的影响。并且，由于地壳的导热系数小，热容量大，短期内此恒温带的温度恢复不可能由地表太阳照射或深层地热资源来补充。而一般情况下，地埋管换热器与扩散半径范围内的土壤换热过程中，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，加之地源热泵有很强的地域性，刘晓茹以一幢地上二层别墅为例，在假设建筑物采用了相同的围护结构，通过软件对我国5个典型气候区域代表性城市的全年逐时空调负荷，结果如图1所示。各地都不同程度的存在吸排热不平衡的状况。
图1五个代表城市的全年吸、排热量不平衡率比较
恒温层作为热泵热源和热汇的蓄热体，这就要求地埋管与扩散半径内土壤的换热要满足地源热泵在一个运行周期内（一年），其吸排热差值不能超过土壤固有的散热能力，否则将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，出现地埋管地源热泵热失衡问题。
三、热平衡问题的解决方法
在项目实践中，常见的地源热泵热平衡预防控制措施及运行解决办法有：（1）科学计算空调冷热负荷，增加其他供热功能，如生活热水、泳池加热等。（2）系统设计时，优先考虑冷热平衡辅助调节措施。（3）完善监控系统。对土壤温度及机房冷热源能量进行监测，宜设置自动控制系统。（4）加强技术交底及运行管理培训。其中，针对冷热平衡辅助调节措施，笔者作了以下2方面的具体分析：
1、系统全年放热量小于吸热量
地源热泵系统全年向土壤的放热量小于吸热量，长时间运行，土壤温度就会逐渐下降，导致地埋管换热器冬季的换热环境恶化，表现为地埋管换热器出水温度下降，即进入热泵机组的蒸发循环水温度降低，从而影响热泵机组的制热效率以及运行的经济性。当进水温度过低导致热泵机组蒸发器出水温度低于4℃时，机组就会因蒸发温度过低而自动停机保护。为了保证系统的稳定性及经济性，从设计时就应做好布局，宜按照制冷负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备，若所选热泵机组制热量不能满足总制热负荷需求，应采用辅助热源加热的方式来补充。常见的辅助热源形式有城市热力、燃气锅炉、电锅炉蓄热、风冷热泵及太阳能光热等。从经济、环保的角度考虑，宜优先采用风冷热泵、太阳能等清洁能源。下面以太阳能光热辅助进行举例说明：联合太阳能系统的运行方式包括串联运行和并联运行。在室外温度较高、热负荷较小的情况下，太阳能和地源热泵系统就需要交替运行以维持稳定平衡的地热系统，此时采用并联的运行方式；在室外温度很低、建筑热负荷量较大的情况下，则采用串联的运行方式。
2、系统全年放热量大于吸热量
地源热泵系统全年向土壤的放热量大于吸热量，长时间运行，土壤温度就会逐渐升高，导致地埋管换热器出水温度升高，即进入热泵机组的冷凝器循环水温度升高，从而影响热泵机组的制冷效率以及运行的经济性，造成主机制冷量衰减。
此条件下，系统宜按照制热负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备，若所选热泵机组制冷量不能满足总制冷负荷需求，应采用辅助冷源的方式来补充。常见的辅助冷源形式有冷凝热回收装置提供热水辅助系统、冷却塔辅助系统、地表水辅助冷却系统等，下面分别对其进行介绍：（1）采用冷凝热回收装置提供热水辅助系统。该辅助系统易于充分发挥热泵机组热回收功能，夏季制冷时免费回收冷凝余热，制取生活热水或给泳池等加热，能加大热泵系统取热负荷、延长使用时间，缩小全年土壤的放热量与吸热量之差，从而达到控制热平衡或减少辅助冷源装置投入的目的。（2）采用冷却塔辅助系统。冷却塔分为开式和闭式2种，由于闭式冷却塔价格高于开式冷却塔好几倍，因此开式冷却塔成为了首选。由于投资低、技术成熟、使用方便、设计简单，目前多数地源热泵系统采用开式冷却塔作为辅助冷源，但是冷却水水质问题往往被大家忽视。设计师习惯将开式冷却塔管道与闭式地埋管换热器管道直接连接，利用监控系统切换电动阀门运行，这就会导致开式冷却水中的悬浮物、铁锈等杂质混入地埋管换热系统，从而造成地埋管水系统的污染。而污染水中的杂质极易沉积在垂直埋管底部，引起管道堵塞、水流不畅、水力平衡失调，进而导致垂直埋管换热器失效。（3）采用地表水辅助冷却系统。考虑到系统美观、节能等因素，当有湖水、河水等地表水源条件时，宜优先采用地表水作为辅助冷却水，同时应严格按照《地表水环境质量标准》进行设计及排放水环境影响评价。
结束语
目前，地源热泵技术在国内发展速度较快，作为一种新型技术，我们必须控制好其设计、建设、运行管理的每个阶段，深入研究建筑负荷特性，充分考虑安全保障措施，建立监控系统，优化运行管理模式，以确保该系统能科学、合理、良性地运行。
参考文献
[1] 曾宪斌，李娟.地源热泵的地域特性及热平衡问题[J].能源技术.2007(06)
[2] 马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调.2009(01)
[3] 朱宝仁.地源热泵技术的应用分析与问题探讨[J].山西能源与节能.2009(04)