李彥英

摘要：針對(duì)土壤源熱泵技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的熱失衡問題進(jìn)行具體分析，并結(jié)合工程實(shí)際情況。提出問題解決方案。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱失衡 太陽(yáng)能

土壤源熱泵技術(shù)是利用大地溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，對(duì)建筑物供熱制冷的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。土壤源熱泵的工作原理是，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對(duì)建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用：夏季通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。

土壤源熱泵由于需要在恒溫土壤中提取或釋放熱量，對(duì)于年平均冷熱負(fù)荷不均衡的地區(qū)，由于土壤中地埋換熱器對(duì)土壤取放熱量不一致，導(dǎo)致土壤不能靠自身的恢復(fù)能力保持地溫場(chǎng)溫度，從而偏離初始溫度，出現(xiàn)逐年上升或下降的趨勢(shì)。即出現(xiàn)土壤熱失衡問題。出現(xiàn)熱失衡的熱泵項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)降低熱泵機(jī)組的換熱效率，影響熱泵機(jī)組的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性。熱失衡也會(huì)影響地區(qū)的大地?zé)崃骷吧锷L(zhǎng)，最終影響整個(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境。所以保持土壤地溫場(chǎng)的熱平衡，使地溫場(chǎng)恢復(fù)或接近初始溫度是熱泵項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求。熱失衡問題在采暖期長(zhǎng)的北方尤其明顯。

土壤熱失衡問題的控制方法，一般最簡(jiǎn)便易行的方法是利用熱泵既能供熱又能制冷的功能，對(duì)建筑物進(jìn)行夏季制冷，在不平衡率20%以下時(shí)，由于土壤本身具有一定的熱擴(kuò)散能力和蓄熱能力，熱量不平衡對(duì)熱泵的運(yùn)行影響不大，不需要采取措施。當(dāng)熱平衡率相差較大（20%以上），則需要采取輔助措施：輔助供熱和輔助冷卻方式。

以實(shí)際工程為例，工程為北方的某住宅區(qū)，建筑面積25000m2，為兩幢7層樓房，節(jié)能保溫墻體，室內(nèi)末端為地板輻射采暖，住宅區(qū)采用土壤源熱泵系統(tǒng)供暖，系統(tǒng)運(yùn)行形式為單供暖，熱泵機(jī)組的供熱功率1 100KW，土壤換熱指標(biāo)30W/m。地埋換熱器由220個(gè)120米深單U型地埋管組成，沿樓房四周設(shè)置，呈長(zhǎng)方形。工程2010年底投入運(yùn)行，至2016年采暖期，地溫場(chǎng)從16度降A(chǔ)9度，平均每年降低1度。本工程存在熱失衡問題，如不解決，該土壤源熱泵供暖系統(tǒng)的效率會(huì)逐年降低，最終將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本工程熱泵機(jī)組供熱功率1100KW，熱泵機(jī)組的COP值為3.5。需從地溫場(chǎng)提取熱量786kw，即使每年日照的熱補(bǔ)償量占土壤取熱量的20%，由于單供暖，夏季冷負(fù)荷為0kw，冷熱不平衡率也遠(yuǎn)超過20%，這也是地溫場(chǎng)每年降低的原因。

針對(duì)本工程地溫場(chǎng)溫度降低的情況，應(yīng)用輔助供熱方式。一般輔助供熱方式有以下幾種：

方式1：用太陽(yáng)能一地源熱泵系統(tǒng)。太陽(yáng)能系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，通過閥門的啟閉，實(shí)現(xiàn)4種運(yùn)行方式：（1）直接利用太陽(yáng)能供熱；（2）太陽(yáng)能與熱泵機(jī)組的冷凝器串聯(lián)運(yùn)行；（3）太陽(yáng)能加熱地埋管換熱器；（4）太陽(yáng)能直接進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。

方式2：增加輔助電加熱器。這種方法簡(jiǎn)單直接，比較實(shí)用。

方式3：利用太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱。系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱連接原熱泵系統(tǒng)，夏季利用太陽(yáng)能集熱器蓄熱至水箱，冬季提取地溫場(chǎng)及水箱熱量為建筑物供熱。

以上幾種方法對(duì)本工程來說均具可行性，三者相比較，方法2需新增電輔加熱器，方法3，受小區(qū)內(nèi)空間限制，蓄熱水箱的位置無法確定，只有方法1最具可行性，此小區(qū)每戶均安裝有太陽(yáng)能，把太陽(yáng)能系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相連接。冬季，在供暖初始時(shí)，在室外溫度較高的情況下，采暖負(fù)荷較小，此時(shí)，經(jīng)過太陽(yáng)能加熱后的供水溫度較高，若供水溫度高于45℃，關(guān)閉太陽(yáng)能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)連接的閥門1、2、3、4、7，開啟閥門5、6，理論上可以利用太陽(yáng)能集熱器直接供暖。對(duì)本工程來說，280戶家用太陽(yáng)能集熱器總供水量34t，不滿足系統(tǒng)供水量要求。因此選擇太陽(yáng)能系統(tǒng)接入土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器，與土壤源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行，即關(guān)閉閥門5、6、7，打開閥門1、2、3、4，開啟熱泵機(jī)組，經(jīng)過太陽(yáng)能集熱器加熱后的水再經(jīng)過地源熱泵系統(tǒng)的熱泵機(jī)組提升后，供給末端，這樣既加熱土壤的溫度，同時(shí)又提高熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)水溫度，提高了熱泵機(jī)組的效率。

太陽(yáng)能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行原理圖如下圖所示：

鑒于本工程地溫場(chǎng)溫度降低，夏季用太陽(yáng)能集熱器加熱地埋管換熱器，同時(shí)關(guān)閉用戶側(cè)，循環(huán)地源側(cè)，向土壤釋放熱量，儲(chǔ)存熱量。本工程所在小區(qū)共280戶，按每戶太陽(yáng)能面積2m2計(jì)算，共計(jì)560m2，夏季儲(chǔ)存的熱能也相當(dāng)可觀。按夏季土壤地埋管每延米吸熱量65w/m計(jì)算，吸熱量Q1=120*220*65=1716kw

本工程年采暖需熱量按每天運(yùn)行1 2小時(shí)計(jì)

供暖需熱量Q2=786*12*120=1131840kw，Q2/Q1=660h

即太陽(yáng)能一土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行660h可補(bǔ)充一年的土壤取熱量，理論上一個(gè)采暖季可恢復(fù)將近兩年的地溫場(chǎng)溫降，再加上夏季蓄熱提高地溫場(chǎng)溫度，運(yùn)行下來，恢復(fù)地溫場(chǎng)溫度效果會(huì)比較顯著，所需費(fèi)用也較低。

結(jié)語(yǔ)：土壤源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)無污染排放，可再生能源利用的環(huán)保技術(shù)，其應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。為避免應(yīng)用過程中出現(xiàn)地溫場(chǎng)熱失衡，在設(shè)計(jì)階段如何維持地溫場(chǎng)的熱平衡就是這項(xiàng)技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。endprint