地源热泵系统在温室大棚应用的可行性报告                                                                                             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，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] 。相对于地下水地源热泵和地表 水地源热泵，地埋管地源热泵不受地域限制、不污 染地下水，不受水文环境地质政策的限制，具有更 好的应用前景，近年来作为一种新的空调冷热源在 我国发展迅速 [2] 。 深层土壤一年四季相对恒定的温度保证了地 源热泵系统的高效节能，但是土壤吸排热不平衡可 能造成土壤温度持续变化，不利于热泵的长期稳定 运行，也会对生态环境造成一定影响。地源热泵空 调系统要获得大规模应用，必须对热平衡问题进行 资助项目：上海市重点学科建设 深入研究。 1 土壤热平衡问题的产生 地源热泵系统并不是一种地热利用系统，它只 是将地下下含水层、土坡、岩石、卵石及深层地表 水作为热泵吸排热的蓄热体 [3] 。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 [4] 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。 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 -20.0 -60.0 -80.0 -100.0 -40.0 96.0 88.2 54.2 上海 广州 齐齐哈尔 沈阳 北京 -26.5 -85.0 吸 排 热 不 平 衡 率 % 1)设制热季节能效比=4， 制冷 季节能效比=3； 2)不平衡率=（吸热量-排热量）/吸 热量与排热量中较大者 100% 图1 五个代表城市的全年吸、排热量不平衡率比较 [4] 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。 2 土壤热平衡问题的危害 2.1 热平衡问题对热泵运行的影响 根据建筑热工我国可分为5 个区：严寒地区、 寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地 区。由于巨大的地域差异，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。而近年来地 埋管地源热泵系统的数量和规模不断增加，形式多 采用在一定区域密集布置的竖直单 U 甚至双 U 型 地埋管换热群，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。 地埋管换热器地埋管地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。Rottmayer S P 等 [5] 做的相关研究表明，夏季向地下累计释放的总 热量与冬季从地下累计吸取的总热量均衡时孔深 不随运行时间变化,不均衡时地埋管换热器换热性 能下降，随运行时间的延长所需的设计孔深呈对数 曲线增大。马宏权等 [6] 对武汉市民用住宅的地埋管 地源热泵项目实测了3 个季度。发现该项目运行一 年后土壤温度有明显升高，各层土壤的温升为1.5～ 2℃,这种趋势可以导致周期年后地埋管地源热泵系 统的冬季制热效率稍有提升但夏季制冷效率明显 下降。宋著坤等 [7] 以天津一幢办公楼的地源热泵项 目为实验对象，地下埋管换热器采用U 型桩埋管和 井埋管两种埋管换热器。设计工况下冬季从土壤吸 热平均负荷约为夏季向土壤排热的70% ,而从1 月5 日和 8 月 12 日的对比发现,1 月 5 日从土壤吸热的 平均负荷仅为 8 月 12 日向土壤排热的 41%。实际 中冬夏两季土壤的吸、排热负荷差值比设计值大。 机组性能系数在第二年夏季只有2.98，比额定工况 3.75 减少了20.5%。 综上所述，热平衡问题对热泵长期运行特性有 明显影响，由于土壤热阻高于管内对流热阻和管壁 的热阻，加上持续运行后地埋管温度波的叠加使土 壤温度恢复时间增长，出现冷却水温度升高（降低） 和系统效率下降，土壤温度持续改变,此后地埋管地 源热泵的持久运行特性将变差。 2.2 热平衡问题对生态环境的影响 地埋管地源热泵热平衡导致的土壤温度变化 不仅影响地埋管换热器性能，对热泵的稳定运行产 生影响，使效率降低甚至无法正常运行。而且地源 热泵长期运行造成的热堆积改变土壤温度，对土壤 的性质产生影响并危及到土壤的生态环境。另外， 热泵在温度控制方面优于传统的煤炉或电炉，使得 热泵在果蔬培育尤其是反季果蔬培育中得到越来 越广泛的应用，使得我们必须关注地源热泵的长期 运行对土壤环境的影响，这直接关系到农业生态系 统的平衡 [8] 。 1）土壤温度通过大地热流对生态环境的影响 匡耀求等 [9] 曾对不同热导率的土壤中种植的桉 树进行了长期观察，发现长势在2 个月后出现明显 差异，并随时间推移差异变大。可见土壤热流对桉 树的长势产生了显著影响。区域大地热流的高低对 区域生态系统的演化有重大的影响，大地热流的高 低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限, 可能制约一些地区的生态系统物种的多样性,进而 影响到区域生态系统的稳健性。存在热平衡问题的 地源热泵长期运行可以导致地埋管周围区域热堆 积，必然造成地区温度的持续升高或降低。从而影 响到大地热流，使地壳表层的正常温度分布遭到破 坏,形成局部地热异常区,进而影响生态环境。 2）土壤温度对土壤物性和生物的影响 土壤温度是影响冻结土壤入渗能力大小的一 个主要因素。在非冻结条件下,土壤温度对土壤入渗 能力的影响甚微,但是在冻结条件下,土壤温度是土 壤水分发生相变的两大条件之一,对土壤入渗能力 的影响显著。程艳涛等 [10] 在深度 10～20cm 的土层 中,做连续的饱和导水率观测试验,得到地温与饱和 导水率的关系如图2。 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 2 4 6 10 8 12 土壤温度 C 饱 和 导 水 率 mm/s R2=0.9874 y2=0.0098x2-0.0776x+0.3026 图2 地温与饱和导水率关系 [10] 在北方寒冷地区推广地源热泵时,冷热负荷的 不平衡必然带来土壤温度的持续降低,饱和导水率 下降,进而带来土壤相应的物性参数改变。 土壤温度影响植物生长、发育、繁殖，而且是 土壤形成和发育的重要因素。他影响到土壤中有机 质和 N、P、K 素的积累，土壤导电性，土壤水分 状况等。李世清等 [11] 对黄土高原南部半湿润易旱区 对土壤温度和土壤微生物体氮的季节性变化进行 了研究，发现在4～36℃范围内,微生物体氮与温度 呈线性相关，土壤微生物体氮与土壤温度有显著或 极显著的正相关性。 土壤温度升高也会影响植物根系活动,从而影 响其对营养元素的吸收，还可能影响其中的微生物 等分解者活动，一般而言,可能加速死亡地被物的分 解,但也可能改变诸如动物等的种类与数量而发生 部分物质难以降解,最终影响整个区域生态环境的 变化。 3 土壤热平衡问题的影响因素 空调负荷差异是土壤热失衡问题出现的根源, 而土壤热平衡过程亦复杂多变，空调逐时负荷输入 造成热量通过地埋管换热器内的强制对流传递给 土壤，土壤又以自然方式向四周扩散使其自身温度 缓慢趋于初始值。此过程受土壤热物性、管群布置、 系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等 因素影响。 地源热泵在供热工况下，地埋管换热器入口温 度低于 0℃时换热器周围含湿土壤有可能冻结。在 水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸收 同等数量的热量情况下,土壤降低温度的幅度小。水 分越多,释放的潜热量越多,温度降低幅度越小,在邻 近地热换热器埋管的土壤温度越高，对热泵供热工 况运行越有利。于明志等 [12] 对土壤冻结对地热换热 器与其周围换热过程影响进行了研究。对有量纲数 据进行分析，结果如表1 所示（ε为土壤孔隙率）。 可见地源热泵系统设计时有必要考虑可能出现的 土壤冻结问题，这会减小地源热泵系统的初投资, 增大热泵工质和防冻液的选择范围。 表1 r=0.1m处的土壤温度 温度 ε=0 ε=0.2 ε=0.4 ε=0.6 ε=0.8 考虑冻结 -16.48 -12.25 -10.80 -10.12 -9.78 不考虑冻结 -16.48 -18.23 -21.47 -26.28 -35.31 地下水渗透和流动无处不在，地下水的渗透和 流动会影响到整个地下环路热交换器的换热系数， 在钻井现场设计过程中，许多复杂情况都是由于地 下水的流动而导致的，地下水的流动不仅影响到岩 土热传导率测定的准确性，而且影响到整个换热器 的长期性能。王庆鹏 [13] 研究了地下水渗流对地脉管 换热器传热的影响，发现有渗流的土壤温度场发生 了变形，地下水的渗流对土壤热交换有显著影响， 不仅土壤通过热传导换热，而且还形成对流换热， 大大增强换热器的热交换能力，并能有效降低冷热 负荷不平衡。文献[14]研究表明：在地下渗流速度为 10 -6 m/s(约为30 米/年)左右时，热交换能力比无渗流 时增大约 30%。可见，地下渗流对地脉管换热器的 影响不可忽视，也是影响热平衡问题的重要因素。 另外在工程上，有地下水渗流时地埋管应沿地下水 渗流方向交错布置，以尽量避免群埋管间热扰。 赵军等 [15] 以南京一个桩间距较小(1.8～2.1m) 的大面积密集型桩埋地源热泵为例，研究发现，桩 群热作用范围扩大到6～8m 左右，表明埋管之间已 开始发生强烈的相互作用，夏季工况结束后,桩群周 围土壤温度场存在一个较大的热惯性。甚至在冬季 工况初期时,这种作用仍然存在。可见，土壤吸放热 过程是一个相对缓慢且滞后的过程一旦超过土壤 本身自然的热扩散能力或限度,就会在局部区域产 生暂时的热量聚集。 地温的恢复特性主要取决于土壤热物性、管群 布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平 衡率等。在解决地缘热泵热平衡问题时，应该结合 具体情况综合考虑各方面因素，设计出合理的系统 方案，实现地源热泵系统经济节能运行的目的。 4 热平衡问题的解决方法 要发挥地源热泵作为新的、更高效的冷热源优 势，显现其节能、环保优势，就要解决地源热泵存 在的热平衡问题。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。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,而后者可 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。 减小地埋管换热器群的密集度需要增加地埋 管换热器布置面积,其实施受实际情况限制。近年来 新出现的桩基埋管可以在一定程度上解决埋管面 积不足的问题，即把地下U 型管换热器埋于建筑物 混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，充分利用 建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热，从 而减少了钻孔和埋管的费用。配合采用桩基地埋管 换热器将大幅缩小占地面积。由于建筑物桩基的自 有特点，使U 型管与桩、桩与大地接触紧密，减少 接触热阻，强化了循环工质与大地土壤的传热。 采用系统调峰等措施可以将土壤温升控制在 一定范围内并获得较好的经济性,但合理的调峰比 例需要根据空调负荷情况作技术经济分析确定。采 用辅助热源或冷却源与地埋换热器并用的调峰形 式 [16] 。这样不仅节省初投资，而且平衡机组向土壤 吸取或排入较多的热量，改善系统性能。对存在冬 夏两季从土壤中吸排热不平衡的地区,应对地源热 泵系统辅以其他冷热源。在北方地区,冬季辅以锅炉 或者太阳能集热器来平衡埋管换热器需要多向土 壤吸取的热量。而南方地区,为了平衡夏季向土壤排 热量,可以采用辅助冷却塔散热、利用建筑周围的景 观喷泉或者地表水来消除峰值负荷。另外，辅助设 施的选择可以根据当地的实际情况，充分利用有利 条件，因地制宜，例如国外已有研究的浅池塘辅助 冷却系统，游泳池加热的混合系统，冬季停车场、 车道、桥面的融雪化冰等。 近年来在欧洲流行的跨季节蓄热地源热泵 [17] ， 利用地埋管将夏季的太阳热蓄储到深层土壤中, 冬 季以太阳能和土壤热作为热泵的复合热源进行供 暖,将太阳能跨季节蓄热与地源热泵技术有机结合， 适宜冬季供暖期长的严寒地区。国内跨季节蓄热地 源热泵的研究还处于起步阶段，崔俊奎等 [18] 建立一 个管群蓄热模型模拟全年蓄热、取热过程，结果显 示跨季节土壤蓄热系统运行一个周期后, 土壤的温 度场基本上可以恢复平衡，并通过一套太阳能土壤 跨季节蓄热与地源热泵组合系统进行实测，验证了 模型的可靠性。土壤储热能力大、热损失较小，经 济分析表明，这种系统目前可与电加热系统相竞 争，文献[19]中研究表明在发展中国家，此种系统 则可与用常规燃料供暖的系统相竞争，土壤储热太 阳能供暖系统的年度成本仅为电加热系统的 1／3 左右，为常规太阳能供暖系统的 2／3 左右。通过 合理设计，可以作为解决热平衡问题的有效手段， 目前国内应用较少，可以作为北方地区地源热泵发 展的一种新形式加以研究、推广。 另外还可以选取带热回收功能的机组,利用制 冷机的冷凝废热来制取生活热水,减少了系统对土 壤的热排放,也能起到缓解土壤热平衡的目的。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。 5 结束语 1)地埋管地源热泵因其良好的节能型和环境效 益，近年来得到越来越广泛的应用，但要进一步推 广必须对土壤热失衡问题引起足够重视，尤其是高 度密集的竖直埋管方式，如果热平衡问题不能很好 解决，必将影响到系统的效率和长期稳定运行。地 埋管地源热泵不仅影响地热器的换热性能，还危机 到周围生态环境，特别是现在地源热泵系统也在逐 步引入到农业生产中，必须考虑到热平衡问题引起 土壤温度变化后对农业生态系统的影响，可以加强 此方面研究。 2)土壤热失衡受众多因素影响，以往关于土壤 热性的研究多集中在土壤导热率和热扩散率，而土 壤冻结、地下水渗流等都应该得到足够重视。另外， 充分考虑桩埋管密集度、热不平衡率、系统起停比 等。把众多因素综合考虑，设计出热平衡方案。 3)辅助冷热（源）混合系统可以很好的解决土 壤热失衡问题，目前研究多集中在辅助冷却或加热 装置的容量和地下埋管大小的优化配置，辅助冷却 或加热系统运行特性模拟及实验研究，混合系统运 行能耗及经济性分析研究。另外，有效的土壤温度 检测和调节控制系统、规范化运行管理也很关键。 对于跨季节蓄热的研究还处于起步阶段，类似这样 把太阳能跨季蓄热应用到地源热泵的新技术，也将 有利于对热平衡问题的解决。