解决地源热泵系统热平衡问题的方法
地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施
热堆 积或 冷 堆 积 ．然 而对 于热 平衡 ， 《 地 源 热 泵 系统 工程 技 术 规范 ） ） Ｇ Ｂ ５ ０ ３ ６ ６ — ２ ０ ０ ９中又有
明确 规 定 ： 地 源热 泵 系统 夏 季最 大释 热 量＝∑
４ ） 复 合 式 系统 管理 运 行 不 当 运 行操 作 人 员 嫌麻 烦 ．空 调 季 随着 负 荷增 长 不及 时甚
至完 全不 开 调 峰设 施 ．或 经 常在 空 调 负荷 不
［ 空调 分 区冷负荷 （ Ｉ ＋ Ｉ ／ Ｅ Ｅ Ｒ） ］ ＋∑输送 过 程
得热 量＋ ∑水 泵释 放热 量 。地源 热泵 系统冬 季
最 大 吸 热 量 ＝∑ ［ 空 调 分 区 热 负 荷 （ １ ＋ １ ／ Ｃ Ｏ Ｐ ） ］ ＋ ∑输送 过程 失热 量一 ∑水泵 释放 热 量 。 最大 释热 量 和 最 大 吸热 量 与建 筑 设计 冷 热 负 荷要 相 对应 ． 并 且 相差 不 大 ， 可 避 免 因 吸热 与 释热 不平 衡 引 起 的岩 土 温度 升 高 或 降低 。但
存储 于 地下 ．有效 地减 轻 了城 市 的夏 季 热 岛 效应 ． 同时还 可 以提 供全 年 的生活热 水 。
地埋 管 地 源热 泵 系统 并不 是一 种 万 能 的
空调 系 统 ， 它 也 有 自己的缺 点 。首 先 ， 它 投 资
季 供冷 时 ． 向地 下排 放 冷凝 热 ． 经 过 整个 夏季
冷凝 热 的排 放 与积 聚 ．地 下 土壤 的 温度 会有
一
高 ．因为地 下钻 井 埋管 和 打井 都需 要 高额 的
费用 ．有 的工程 地 下钻 井 埋管 的费用 甚 至与
定 的升高 ． 但 是冬 季 供热 时 ． 热 泵 又要 不断
地源热泵热平衡问题探讨
1 引言所谓的地源热泵，即是利用热泵提高冬天时大地的低位热能，从而供给热量给建筑，且可有效降低大地温度，并把冷量存储下来，供夏天使用。
当夏天温度相对较高时，热泵所起的作用是将建筑内热量转至地下，从而达到给建筑降温的效果，除此之外，还需将所转移的热量存储下来，用于冬季供热。
岩土地下水以及地表水均在地源热泵系统中扮演了低温热源的角色，而地热能交换系统，水源热泵机组以及建筑物内系统共同构成了地源热泵系统。
地源热泵系统主要是对地表浅层加以利用，进行能源的存储工作。
这些能源不会受限于地理位置，也可被人们充分循环利用，这就是所谓的可再生能源。
因此地源热泵技术的使用有高效利用、能源节约、成本较低等优势。
2 地源热泵热平衡问题2.1 地表浅层冷热负荷存在不平衡地源热泵就是对地热换气加以利用，实现地表浅层温差能的提取，而后通过热泵机组扩散热源至其周围。
一旦热泵系统需要常年运行，对地表浅层热能加以利用，相关工作人员则必须要考虑工作过程中提取和放出热能的土壤源热泵热平衡问题。
就我国实际情况而言，我国拥有广阔的领土，各地区有着明显的气候差异，这一情况是导致我国大部分区域建筑物地表浅层出现冷热负荷不平衡的主要原因。
我国西北地区的建筑物地表冷热负荷相对较大，一旦常年在地表进行热量的提取和放出工作，如果做不好热量平衡工作，则会在地下土壤出现热堆积的情况，也就是所谓的土壤热失衡。
该现象的发生不会通过大地土壤的自身运动进行修复，严重时会使土壤内的能量无法被人们提取，且进行循环和利用，这也是土壤出现热失衡情况的不可逆原因。
一旦大地土壤出现热堆积现象，而地源热泵系统还在持续运行，土壤自身扩散能量的能力则完全超负荷运转，土壤温度偏离原始温度，浅层温度处于持续降低和升高的趋势。
如此一来，在夏季使用热泵机组时则无法取得较好的制冷效果，也会大幅度降低机组的运行效率。
2.2 设计地源热泵地源热泵热平衡问题探讨谭绪飞（贵州省有色金属和核工业地质勘查局六总队，贵州 凯里 556000）摘要：地源热泵系统运行的地源热平衡是利用大地蓄能来实现的，高效能、环保、成本低是其最为突出的优点，也因此得到了广泛的应用。
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析杨卫波1 陈振乾2 刘光远1(1.扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州 225009；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096)摘要为了探讨土壤源热泵系统地下热平衡问题对土壤温度分布及生态环境的影响，在分析地下热平衡问题产生原因的基础上，以一管群阵列为例，通过模拟计算探讨了不同负荷不平衡率下、在不同运行时间内地下土壤温度的分布状况及其变化趋势，分析了地下热平衡对大地热流及生物生长的影响，并提出了解决地下热平衡问题的方案，所得结论与方法可为土壤源热泵系统的健康发展提供参考。
关键词土壤源热泵 地下热平衡 生态环境 解决方案ANALYSIS ON THE GROUND HEAT BALANCE OF GROUNDCOUPLED HEAT PUMP SYSTEMYang Weibo1Chen Zhenqian2 Liu Guangyuan1(1.School of Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009; 2. School of Energy andEnvironment, Southeast University, Nanjing 210096 )Abstract In order to discuss the effects of ground heat balance of ground coupled heat pump system(GCHPS) on the ground temperature distribution and ecological environment, the reasons of ground heat imbalance are analyzed, the simulation calculation of a ground heat exchangers group array is carried out to find out the ground temperature distribution and variation trend under different various operation time and unbalance rate of load, the influences of ground heat balance on ground heat flux and biology growth are analyzed, some solutions are also presented to solve the ground heat balance. The results and methods obtained in this paper can provide references for the right development of GCHPS.Keywords Ground coupled heat pump Ground heat balance Ecological environment Solutions0 前言近些年，以浅层土壤热能作为热泵冷热源的既可供暖又可空调及供生活热水的土壤源热泵技术在国际供热制冷界得到了迅速发展，且成为国际上公认的最具发展潜力的采暖空调技术之一。
地源热泵实际使用中的热平衡问题
地源热泵实际使用中的热平衡问题地源热泵是21世纪的一项最具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术。
地源热泵优点：1.利用大地的蓄能作用，环保效益显著。
2.高效节能，运行费用低。
3.运行安全稳定，可靠性高。
地源热泵缺点：地源热泵冬夏两季向大地取热量和排热量不平衡。
热平衡问题分析：地源热泵通过热泵将大地中低位热能提高，对建筑供暖，同时使大地中的温度降低，即蓄存冷量以备夏季使用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行降温，同时在大地中蓄存热量，以备冬季使用。
这一特点决定了该项技术适用于夏热、冬冷且冷热负荷相当的地区。
若该系统在冷热负荷不平衡的情况下长期运行，将会使土壤温度逐渐上升或下降，导致地埋管换热器换热环境恶化，换热效率下降，从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。
以夏季和冬季不平衡率为3％和10％两种条件，得出的结果如下：以五年为一个周期来看，土壤温度逐年升高，温升分别升高了0.81℃和2.77℃。
地源热泵系统在热量不平衡率仅为10％的情况下运行五年，土壤温度就明显的升高了2.77℃，可以推想，若在热平衡率更大时，若不采取必要措施，地源热泵系统运行一段时间之后很可能就无法正常运行。
解决方案：根据实测和理论计算，建议以不平衡率20％为界线，即在20％以下时由于土壤本身具有一定的热扩散能力和蓄热能力，热量不平衡对热泵的运行影响不大，不需要采取措施。
当热平衡率相差较大（20％以上），需要采取辅助措施：辅助供热和辅助冷却方式。
称为复和式地源热泵系统。
以热负荷为主和以冷负荷为主的两种情况分析：1.系统的释热量小于吸取热量。
若地源热泵系统在这种情况下长时间运行，将会使土壤温度逐渐下降，使地埋管换热环境恶化，降低换热效率，使出水温度降低，并造成热泵机组的蒸发温度降低，从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。
2.系统的释热量大于吸取热量。
原理与上述相反，后果一样。
为解决这个问题并提高系统的经济性，在地源热泵系统设计时综合考虑。
土壤源热泵系统的热平衡问题
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）69584901E-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。
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案一、冬夏季地下换热量计算：夏季向土壤中排放的热量Q1·= 597KW×（1+1÷5.15) -597KW×（1-1÷3.98)=713-378=335KW冬季从土壤中吸收的热量Q2·= 505KW×（1-1÷3.98)×2=756KW二、埋管孔数计算：冬季地埋管打孔数，口N2=756÷(40×0.045)=420口三、占地面积估算地埋管间距按四米计算，S=420×42=6720m2四、全年冷热不平衡校核计算整个制冷期向土壤排放的总热量：φ1=335KW×18×0.8小时×120×0.9天=整个制热期从土壤吸收的总热量：φ2=756KW×18×0.8小时×120×0.9天=冷热不平衡率U=φ1/φ2=0.443冷热不平衡率取值在0.8—1.15之间，则无需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
冷热不平衡率U＜0.8或＞1.15，则需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
说明：（以机组夏季运行120天、夏季运行120天、每天运行18个小时），空调全负荷使用系数见计算公式，我们按中原地区的气候条件,夏季制冷期为120天(6月1日—9月30日),冬季采暖期为120天(11月15日—3月15日),开动系数(制冷或采暖期内系统的开动天数比率)估算为0.90,主机使用系数为0.8[每天18小时运行,其计算依据是1/(0.17/A+0.39/B+0.33/C+0.11/D),其中A、B、C、D分别是在100%、75%、50%、25%负荷下运转的耗能量。
五、地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理1、冬季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.8862、夏季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.9433、冬季采用一台风冷热泵机组供应游泳馆空调；U=φ1/φ2=0.8864、安装锅炉对地埋系统补充热量:；按需调节5、屋顶布置太阳能，利用太阳能来实现地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理。
介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法
介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法中国泵业网地源热泵采暖技术其节能环保性受到广大用户的青睐。
可是近年部分地源热泵项目出现了地下热量失衡的严重问题，给地源热泵推广蒙上了阴影，本文针对此问题进行探讨，为广大同仁分享一些解决办法。
1地下换热钻井施工由于各地区地质千差万别，地下物质导热系数相差悬殊，没有统一计算方式，钻勘探井测试地质导热系数，只能计算相对较短时间内地质放热系数，几乎无法预算热泵运行多年后结果，凭借多年的施工经验及参考地源热泵成功案例非常重要。
1.1钻井间距地埋管式换热系统国家标准及规范中指出地下换热系统中对钻井间距为4~6m，考虑到成本及占地面积，一般工程施工时钻井间距≤4m。
换热井与井之间的地质就是蓄热空间，决定地埋管换热系统取热的年限，假如在3年期间换热井之间温度短路区易发生短路现象，该系统很快进入地下温度失衡状态，造成系统能效比下降甚至无法运行。
热泵在冬季长时间处在取热状态，每口井周围温度在逐渐降低，特别是地下流层不丰富甚至没有流层的地况，换热井间距大小直接影响井与井之间温度短路时间。
如图1所示。
1.2钻井群形状地下换热系统设计人员主要考虑便于管网连接及连接机房距离，大部分采暖工程在钻井施工时，把所有换热井口集中到一起，大型采暖项目需钻井数量非常庞大，地下换热井会形成井群。
特别是圆形或方形井群如果井间距过小容易造成严重取热不足，井群中心呈扩散状，中心位置温度区温度很低，几年后可能低于0℃。
前几年运行的地源热泵项目，部分出现井水温度过低现象，甚至机组无法运行。
如图2所示。
2合格的地埋管式换热系统根据现场情况，尽量加大换热井距离，4口井间做不对称形状，井间距需≥4m。
大中型地源热泵项目，地下连接管网庞大，地下主管道间距需≥1m，以减少大量进出水主管道间热量短路现象。
管网埋设深度，北京地区冻层0.8m左右，管网应埋设在低于冻层以下1m处，尽量减少主管道对地层的热损。
如图3、图4 所示。
地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施
统 ，它 也有 自己 的 缺 点 。 首 先 ，它 投 资 高 。 因为 地
下钻井 埋管 和打井都需要高额的 费用 ，有 的工程 地
【 Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 】 Ｔｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｈ －
（ ４ ）复合式系统管理运行不 当。运行操作人员
嫌麻 烦 ，空 调 季 随 着 负 荷 增 长 不 及 时 甚 至 完 全 不 开 调 峰 设 施 ， 或 经 常 在 空 调 负荷 不 大 时 只 开 调 峰 设 施 而 不 运 行 地 埋 管 地 源 热 泵 系 统 ， 都 将 影 响 调 峰 设 施 的冷 热 平 衡 功 能 ， 进而导致冬夏季取放热量不平衡 ， 使 土 壤 出项 热 堆 积 。
ｉ ｍｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ， ｃ ｏ ｎｔ ｕ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｓ ｕ ｒ ｅபைடு நூலகம்ｓ
负荷 Ｘ（ １ ＋ １ ／ Ｅ Ｅ Ｒ ） ］＋ ∑输 送 过 程 的热 量 ＋ ∑水 泵 释 放 热 量 。地源 热 泵 系 统 冬季 最 大 吸 热量 ＝ ∑［ 空 调 分
引 言
近年来 ，在节能环保和能源紧缺 的大环境 下， 地埋 管地源 热泵系统在我 国北方尤其是夏 热冬冷 地 区逐渐受到 了设计院 、政府及建 设方 的青睐，几乎 成为夏热冬冷地 区全年供 冷、供 热的最佳选择 。它
（ ５ ）运行管理不善 ，过渡依赖于 自控系 统。任
何 控 制 系统 都 不 是 万 能 的 ，都 需 要 人 来 调 控 和 监 视
下钻井 埋管 的费 用甚至 与地 上空 调系 统 的费用接
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【专业知识】解决地源热泵系统热平衡问题的方法
【学员问题】解决地源热泵系统热平衡问题的方法？
【解答】土壤热平衡问题是地埋管地源热泵系统设计与应用中需要解决的首要问题，
如今已经有不少方法应用在实际工程中，并取得了不错的效果，比如在系统中加入
辅助冷热源、间歇式控制等措施。
其中使用较为广泛的措施就是采取混合式地源热
泵系统。
混合式地源热泵即地埋管换热系统与辅助散热设备或辅助热源混合使用的
热泵系统，分为室内换热系统和室外换热系统两大部分[1].
1.冷却塔-地埋管地源热泵
在南方地区，建筑负荷特点一般是夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以土壤热平衡问
题是体现在土壤热量的堆积上。
在此种负荷特点下，设计中地埋管的热容量是以建
筑物的热负荷作为设计基础，夏季供冷时采用辅助散热设备散去室内多余热量。
冷却塔是混合式地源热泵系统最常用的散热设备，在大部分工程设计中，通常是根
据建筑全年累计总负荷计算热量得失，由系统对土壤取热量与散热量之差计算冷却
塔循环水量从而选取冷却塔型号，在控制冷却塔时则固定时间启停。
但由于建筑负
荷与周围环境息息相关且负荷变化是一个动态过程，所以不应该单纯以此法选取和
控制冷却塔。
在文献【2】中提出了比较合理的冷却塔选型和控制方法，即由土壤在
热泵制冷工况运行下的平均进水温度（根据经验数据或模拟计算得出）计算出冷却
塔容量大小的平衡点T，查询当地全年逐时室外干湿球温度数据得出当室外湿球温度
为T时室外干球温度的平均值，进而求得在此室外条件下的建筑冷负荷Qc，再根据。