地源热泵系统热平衡分析及其在大型公共建筑中的应用

胡金强

（1-英格索兰（中国）投资有限公司，上海 200051；2-挪信能源技术（上海）有限公司，上海 200072）

地源热泵系统热平衡分析及其在大型公共建筑中的应用

胡金强*1,2

（1-英格索兰（中国）投资有限公司，上海 200051；2-挪信能源技术（上海）有限公司，上海 200072）

热平衡是影响土壤源热泵系统持久稳定运行至关重要的因素之一。本文阐述了热失衡产生的原因、国内常见情况与解决办法，提出了在大型公共建筑中应用复合式冷却塔耦合地源热泵系统解决冷热不平衡问题。研究结果对解决类似工程项目的热平衡问题具有参考意义。

地源热泵；土壤热失衡；大型公共建筑

0 引言

地源热泵系统是以岩土、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统和建筑物内系统组成的供热空调系统[1]。地源热泵系统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，尤其应用于大型公共建筑节能潜力巨大，在“十一五”期间得到了快速推广[2-3]，并将在“十二五”得到快速发展。但该项技术在实际工程的应用中也暴露出不少问题,比如地源热泵系统土壤热平衡问题。一般来说，在地表15 m以下土壤温度就可以保持常年稳定[4]。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，但是土壤吸热排热不平衡会造成土壤温度的持续变化，严重影响热泵系统长期稳定的运行，同时也会对生态环境造成一定影响，为此必须对热平衡问题进行深入分析与研究。

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[5]。从地质构造上来讲，地下30 m～300 m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，其温度是地球表面的太阳照射与气温影响和地核的导热与对流影响的综合平衡点[6]。这个恒温层的温度与当地全年平均气温有极好的相关性，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辐射或深层地热资源来补充。一般情况下，地埋管换热器与扩散半径范围的土壤换热过程中，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，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，这即通常所说的地埋管地源热泵热失衡问题。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，均对系统持续稳定运行不利。例如在夏热冬冷地区，建筑物夏季空调负荷一般大于冬季负荷，且夏季空调制冷时间一般较长，而冬季采暖时间相对较短，因此夏季的累计散热量大于冬季累计吸热量。这样，势必引起恒温带温度发生改变。土壤温度每升高1 ℃，取同样冷量时能耗增加3%～4%。但是如果处理不当，5年或10年后的温升会较高，造成系统运行情况明显恶化[7]。

2 国内土壤热失衡的常见情况

国内地源热泵相比欧美国家起步较晚，现有的地源热泵系统运行时间不长，其持久运行情况还有待观察。但从目前运行中暴露出来的问题来看，土壤热失衡主要有以下几种情况。

1） 出现最多的情况是为了降低地源热泵系统初期投资成本，盲目减少钻孔数目和孔的深度，地埋管换热器数量布置偏少，地源热泵系统运行的稳定性逐年恶化。

2） 根据文献中规定，超过5,000 m2以上的地源热泵系统应进行热物性测试实验[1]。实际工程中，往往出现以经验数据代替，造成的结果是系统运行几年效果严重恶化，更有甚者不能使用。

3） 在设计前未进行详细的建筑动态负荷分析计算，只根据经验值估算，导致所设计的空调系统与建筑所需要的冷热量不匹配。

4）由于没有详细的建筑动态负荷分析计算，致使空调系统运行策略设计比较粗糙，未进行优化设计。

5） 由于可供地埋管换热器布置的面积较小，从而减小了地埋管换热器间距，使得单个地埋管换热器的扩散半径减小，降低了持久运行特性。

6） 热泵机组与地埋管换热器组群设置不匹配，造成局部土壤温升过高。

7） 土壤换热器系统施工质量达不到设计要求。

8） 后期系统管理运行不当以及运行管理不完善。

3 土壤热失衡的解决办法

1) 埋管现场地下岩土热物性的准确测定既是地源热泵系统地下埋管换热器优化设计的前提与基础，也是其长期运行后土壤热平衡校核计算与设计的依据。因此，准确测量埋管现场土壤热物性的方法，是土壤源热泵土壤热失衡控制的前提与关键技术之一。

2) 对拟建项目进行详细的建筑全年动态负荷计算，分析冬夏季冷热不平衡率，这是设计地下埋管换热器大小的依据。依据建筑全年动态负荷计算结果以及冬夏季冷热不平衡率，进行地埋管换热器与空调系统冷热量匹配以及进行运行策略优化设计，是土壤源热泵土壤热失衡控制的关键技术之一。系统设计前掌握和了解地下埋管换热器周围土壤温度场的分布，借助于数学和工程软件，对埋管周围的土壤温度场分布进行数值模拟，分析埋管周围在过渡季节的土壤温度恢复情况。在此基础上再合理设计地埋管换热器深度、间距及数量，对提高土壤源热泵系统的性能系数和稳定性具有重要意义。

3) 合理设计地埋管换热器数目与间距，在条件允许时，分散换热器布置区域，适当增加间距，以减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷从而减小换热器的密集度。埋管设计时，可与热泵机组对应设置成多组回路，交替使用。部分负荷时，可优先考虑使用外围环路，以加速周边埋管土壤聚集冷热量的扩散，避免中心局部过热。

4) 针对夏季冷负荷大于冬季热负荷的南方气候地区而提出的利用辅助散热来解决土壤热失衡的措施。辅助散热装置包括冷却塔、冷却水池及喷泉等。辅助散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，因此条件具备时应优先考虑作为解决土壤热失衡的主要措施。但是应该注意调峰系统同时也提高了剩余地埋管换热器的使用频率，因此调峰后土壤承担的冬夏负荷不宜相差过大。

5) 冷凝热回收调控土壤热失衡。对南方地区而言，余鑫等[8-9]提出了利用冷凝热部分回收来预热空气处理机组进口空气，以减少地下排热，降低土壤热平衡问题的措施，并进行了全年运行实验研究。Li S H等[10]针对长江中下游地区，提出了带有卫生热水的多功能地源热泵系统来消除地下热失衡问题，模拟计算结果显示，9年运行后土壤温度仅变化0.3 ℃。

6) 辅助加热复合系统调控土壤热失衡。这是针对冬季热负荷大于夏季冷负荷的北方寒冷地区而提出的利用辅助热源来减少年均土壤取热量，以调控土壤热平衡的措施。通常采用的辅助热源是太阳能。WANG X等[11]针对哈尔滨地区，对带有太阳能跨季节储能的太阳能－地源热泵系统进行了实验研究，结果表明系统能够满足全年供冷、供热需求，且土壤温度在冬季可用储能维持在一个更高的温度水平，大大提高了冬季供热效率，其系统COP达6.65。KJELLSSON E等[12]提出了带有太阳能集热器的复合地源热泵系统，并对集热器与地下换热器的优化运行方式进行了探讨，研究显示，通过集热器向土壤回灌太阳能热量可有效减少全年埋管从地下土壤的净取热量。

7) 间歇运行可有效地改善地埋管换热管群周围土壤热环境的恢复。杨卫波等[13]探讨了非连续运行条件下地埋管的换热特性，结果表明：合理的间歇运行模式有利于埋管周围土壤温度快速恢复，从而可有效提高浅层地热能利用率。

8) 在地埋管换热器易造成热堆积的埋管区土壤部位设置温度传感器，及时监控土壤温度的变化，一旦温度超过设定值时，可以开启辅助调峰设备，避免热堆积。条件合适的地埋管地源热泵机房还可以设置自动控制和管理系统，以确保地埋管地源热泵系统处于较好的控制和调节状态。

9) 加强和规范对土壤源热泵系统的运行管理，是落实前期优化设计措施、解决热失衡问题的最后环节，也是最不可忽视的一个环节。运行管理的不当不仅会引起甚至加大冬夏土壤取放热量的不平衡率，而且还可能使系统设计所采用的热平衡措施失效。所以应对管理人员进行相关的培训，并制定管理规范。

4 某大型公共建筑土壤热平衡措施

4.1 工程介绍

本工程为某一大型公共建筑，其中大剧院面积19,500 m2，图书馆面积32,475 m2，博物馆面积34,195 m2。根据甲方的需求、当地的实际情况和节能要求，采用垂直式地埋管地源热泵系统，地埋管换热器有效埋深为100 m的双U形，管材选用公称外径为25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）换热管，地埋管换热器系统的设计将根据水文地质勘察资料及建筑物的动态负荷计算结果进行。

4.2 工程中的冷、热负荷不平衡问题

根据负荷计算结果，本项目最大瞬时冷负荷9,980.3 kW，最大瞬时热负荷6,197.6 kW。具体计算结果见表1。

表1 建筑空调负荷表

夏季累计向地下释放的热量：

式中：

qsi——夏季第i小时向地下释放的热量，kW；

Qsi——夏季第i小时的冷负荷，kW；

n——夏季供冷的小时数，取1,500 h；

EER——夏季的能效比，取4.7。

冬季累计从地下吸取的热量：

式中：

qxj——冬季第j小时从地下吸收的热量，kW；

Qxj——冬季第j小时的热负荷，kW；

n——冬季供暖的小时数，取1,050 h；

COP——冬季的供热系数，取4.0

代入数据计算得出：夏季累计向地下释放的热量为7,701,492 kW·h，冬季累计从地下吸取的热量为2,817,772 kW·h。计算冬夏两季冷、热不平衡率为63.4%，由此看出，冬夏季地源热泵系统的取热量和散热量差距较大，存在严重的热平衡问题。

4.3 问题的解决方案

在对本工程地埋管换热器系统设计之前，进行了地质勘查与土壤热物性测试以及建筑物动态负荷计算，根据热物性测试和负荷计算结果，井孔间距为5 m×5 m，沿建筑物周边布置，分散布置有利于土壤源热泵系统的热平衡。由于本工程热平衡率为63.4%，存在严重的热平衡问题，为此考虑冷却塔辅助散热系统。

4.3.1 夏季排热量不足部分采用冷却塔辅助调节

1) 冷却塔容量的确定

参考ASHRAE1995年设计方法[14]：

式中：

QRej——辅助散热设备(冷却塔)设计放热量，kW；

QTot,Rej——设计供冷月散热总量，kW·h；

QLoop,Rej——通过地埋管排放到土壤中的设计供冷月散热量，kW·h；

Hours——设计供冷月时间，h。

本工程中，QTot,Rej为7,701,492 kW·h、QLoop,Rej为2,817,772 kW·h、Hours为300 h，代入式(4)中得QRej为8,139.5 kW。

2) 冷却塔选型

根据QRej计算得出冷却塔的水流量G=0.86×QRej/Δt=1,400 m3/h，选择8台标准水量为175 m3/h的模块闭式冷却塔。

3) 复合系统冷却塔的调峰措施

冷热平衡前期设计与后期运行调节是地源热泵空调系统效果稳定的关键因素之一：空调系统在方案设计深化过程中根据建筑群使用情况与当地气候特点，夏季空调负荷大且运行时间长，配置冷却塔进行调节系统全年累计冷热量的平衡；在系统后期的运行过程中，通过地温、地埋侧供回水温度的全年实时监测，通过控制冷却塔的运行时间和台数控制来调节当年土壤源热泵系统实际排入和提取的冷热量，由此确保系统长期高效稳定的运行。

4.3.2 回收冷凝热制取生活热水来调节土壤热平衡

本工程大剧院有生活热水需求，热水量为300 kW。配置模块式水源热泵主机，从土壤源热泵系统中回收部分冷凝热制取低成本甚至免费生活热水。满足大剧院卫生生活热水需求的同时，又有利于土壤源热泵系统的热平衡。经计算夏季免费生活热水提取量为259,200 kW·h，过渡季节和冬季低成本生活热水提取量为691,200 kW·h。

4.3.3 设置有效的监测系统

在空调系统中设置多重监测系统，比如地温监测系统、冷却水回水温度监测系统与地埋侧供回水温度监测系统等，多方位保障系统稳定高效运行。通过以上监测，调整冷却塔环路系统的运行时间，由地埋侧环路系统的模块机组根据负荷的变化自动加卸载。满载负荷时，地埋管与冷却塔同时运行，计划性调峰的空间有限。但应注意根据地温的实际情况，一定要在部分负荷时有计划有步骤地实施冷热平衡调峰计划。如有必要时，可在夏季夜间开启冷却塔进行地埋管换热器系统的降温，以达到土壤全年的冷热平衡。

4.3.4 后期规范化运行管理

后期系统运行对土壤源热泵系统实施规范化运行管理，无论是落实前期优化设计措施，还是解决土壤热失衡问题，均是最不可忽视的一个环节。但是这种情况实际上往往很容易被忽视，根本得不到重视。一般来说，使用者仅关注当前的使用情况，不会考虑土壤源热泵系统10年后、20年后的稳定运行情况，这也是最容易造成系统效率恶化的原因之一，尤其对于复合式地源热泵系统而言。所以应制定管理规范，对管理人员进行相关的培训。管理和操作人员应对通过地温、地埋侧供回水温度的全年实时监测，通过控制冷却塔的运行时间和台数控制来调节当年土壤源热泵系统实际排入和提取的冷热量，由此确保系统长期高效稳定的运行。

5 结论

1） 在大型公共建筑中采用复合式地源热泵系统制冷、供暖以及制取生活热水符合国家节能环保等方面的要求，但是工程所在地的热物性测试以及建筑动态负荷计算对于大型建筑地埋管地源热泵系统稳定高效运行尤其重要。一方面工程实施前期可进行地埋管换热系统的优化设计；另一方面有利于后期调整地源热泵系统的热平衡措施。

2） 冷却塔辅助散热的混合式地源热泵系统应用我国南方地区的实际工程中能有效解决土壤热失衡问题，而且可以较好地改善地埋管换热器的换热环境，提高机组的效率，降低初投资和运行费用。有利于地源热泵系统稳定高效的运行。

3） 对于冷负荷大于热负荷的地区，采用回收冷凝热制取生活热水有利于调节地源热泵系统的热平衡。

4） 地埋系统设置有效的监测系统以及后期规范化运行均有利于地源热泵系统的热平衡。通过冷却水回水温度、地埋侧供回水温度以及地温的监测，实时调整冷却塔调峰措施，将大大改善地埋管换热系统热失衡的状况。

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Analysis of Heat Balance in Ground Source Heat Pump System and Its Application in Large Scale Public Buildings

HU Jin-qiang*1,2
( 1-Ingersoll-Rand (China) Investment Co., Ltd., Shanghai 200051, China; 2- Nuoxin Energy Technology (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

Thermal balance is one of the critical factors that impact the stable and long term operation of ground source heat pump systems. The reasons, common cases and solutions of the underground thermal imbalance in China are introduced. The hybrid ground source heat pump with cooling tower is adopted to solve the problems of thermal balance in large scale public buildings. The result offers a reference to solve the problems of thermal imbalance in similar engineering project.

Ground source heat pump; Underground thermal imbalance; Large scale public building

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.205

*胡金强（1980-），男，工程师，硕士。研究方向：地源热泵系统优化与建筑节能。联系地址：上海市仙霞路99号9楼，邮编：200051。E-mail：hujinqiang88@126.com。