介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法
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
地源热泵与太阳能结合在高寒地区的应用
制
痔
室 调
ＲＥＦ ＲＩ ＧＥＲＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ ＡＩ Ｒ． Ｃ０ＮＤＩ Ｔ１ ０Ｎ１ Ｎ Ｇ
地源热泵与太 阳能结合在 高寒地 区的应用
李景华 王 晓羚 牛 秀云 王丽英
（ 山东 富尔达 空 调设备 有 限公 司 ）
ｃ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ａ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｍ ｏ ｎ ｇ ｏ ｌ ｉ ａ ， Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｈ ｏ ｗ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｙ ｅ ａ ｒ ｒ ａ ｔ ｅ ， Ｈ ｏ ｗ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ｅ
相对稳定 的特性 ，通过热泵机组 ，使深埋于建筑 物周 围的管路系统或地下水循环带走建筑物内部
本文所涉及 的工程为 内蒙古 自治区凉城某医
院工程项 目，建筑 面积为 ２ ８ ０ ０ ｏ ｍ ，共 １ ２ 层 ，每 层层高为 ３ ． １ ｍ，总计层高 ３ ７ ． ２ ｍ 。本建筑采用节能 热量 的技术 。冬季 ，从土壤 中取热 ，代替锅炉为
建筑 物供 暖；夏季 ，向土壤排热 ，代替普通空调 设计 ， 按中华人民共和国国家标准 《 民用建筑节能 给建 筑物供冷。因该项 目处 于低温高寒地带 ，夏 设计标准 》 第４ ． １ ． ２ 条规定 ，屋顶和外墙应加强保
换热不平衡 ，将影响下一个采暖期 的运行。该地 ｔ 照 时 间 可达 ２ ６ ０ ０ ～３ ２ ０ ０小 时 ，是 非 常 理 想 色可再生能源成为建筑节能的重要部分 ，作为人 区 Ｅ 们青睐的绿色可再生能源 ，地源热泵和太 阳在建 的绿 色环保资源 。为保证地下换热系统的持续运 筑 中得到了广泛的应用 ，二者 的有效结合 ，为建 筑节 能 带来 理想 的效： 果。
太阳能与地源热泵互补供能的优势分析
资源环境 | RESOURCES & ENVIRONMENTI太阳能与地源热泵互补供能的优势分析李爽王一凡王杨洋王迪(吉林建筑科技学院市政与环境工程学院，吉林长春130000)摘要：通过建设相应的能源系统实现资源联合应用，能有效提高能源利用效果，达到更好的经济效益和社会效益。
文章通过查 阅文献、分析案例等方法，分析了太阳能与地源热泵互补供能的可行性及经济效益，结果表明太阳能与地源热泵互补供能系 统能够取得良好应用效果，值得推广应用。
关键词：太阳能：温室：沼气；地源热泵；建筑 文献标识码:A中图分类号:TK 01文章编号：2096>4137 (2021) 04-148-02D 0I ： 10.13535/j .cnki .10-1507/n .2021.04.61Analysis of the advantages of complementary energy supply between solarand ground source heat pumpsLI Shuang , WANG Yifan , WANG Yangyang , WANG Di(School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Institute of Architecture and Technology, Changchun 130000, China)Abstract : Through the construction of corresponding energy systems , the joint application of resources can be realized , which can effectively improve energy utilization and achieve better economic and social benefits . This paper analyzes the feasibility and economic benefits of the complementary energy supply of solar energy and ground source heat pump by consulting literature and analyzing cases . The results shows that the complementary energy supply system of solar energy and ground source heat pump can achieve good application effects and is worthy of popularization and application .Keywords : solar energy ; greenhouse ; biogas ; ground source heat pump ; building 热泵是一种新型空调技术，研宄发现，热泵能够减少对 资源的消耗，减少对环境的污染，达到更好的绿色环保节能 效果。
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。
简析太阳能系统和地源热泵系统连接方式
简析太阳能系统和地源热泵系统连接方式我们当前正面临着巨大的能源挑战，提高能源的利用率，节能减排政策加快实施，新能源和可再生能源合理、有效的研发应用，将会是我们人类实现可持续发展的有效途径。
据不完全统计到2035年，世界对一次能源需求量将会上升36%，相当于使用167 t 石油[1]。
近年来，大多数国家都将重心转移到可再生能源和新能源的合理开发利用，这将是未来很长一段时间内一项重要的可持续发展战略[2]。
太阳能和地热能将会是人类历史中取之不尽用之不竭的新能源和可再生能源，对其合理、有效的利用将会是今后能源发展的一个重要方向.我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区占全国面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内[3]，但太阳能的利用还存在着一定的局限性，太阳辐射受昼夜、季节、海拔高度等自然条件的限制以及阴雨天气等随机因素的影响较大，存在着很大的不稳定性和间歇性。
因此若要长期单独只用太阳能作为热源运行系统，必须靠辅助热源才可以保证系统稳定运行。
"地源热泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的专家提出[4]，它利用地下埋管换热器与大地进行热量交换，把大地作为低位热源和排热场所的热泵装置。
地源热泵在连续运行时会因埋地管在土壤中的连续取热或者放热而导致埋管周围土壤的温度的相对降低或者升高，从而引起热泵蒸发温度和冷凝温度的变化，系统的运行效率的降低；另一方面，土壤的导热系数比较小，换热强度弱，在相同的负荷情况下所需要的换热面积大，因此埋管用量多，占地面积大[5-7]。
太阳能和地源热泵系统单独应用时存在的缺陷最好的办法是结合使用两种能源，互相弥补自身不足，提高资源利用率。
本文主要是对太阳能和地源热泵联合运行方式的探究。
1.系统结构和联合运行原理太阳能-地源热泵系统如图1所示。
本文主要研究的是供暖季下该系统的联合运行模式。
2.系统联合运行模式太阳能-地源热泵系统联合运行有三种不同的运行模式：一、串联模式；二、并联模式；三、蓄热模式。
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。
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
地源热泵和太阳能结合讲义
N
•循环泵关闭
循环泵关闭>2小时?
Y
•电加热开启
T热水箱<60C?
Y
N
> T集热器-T地源换热器出水 3C?
Y N
< T地源换热器出水 20C?
Y
•集热器切换到地源换热器 •循环泵运行
7C
高热泵效率. 水路的切换基于水温控
制.
EVAP COND
热泵机组
板 换
地埋管系统
报价部分
70 C
生活热水箱
地源热泵和太阳能集成系统项目说明盘管 (回风和新风), 地板加热器
– 太阳能集热系统,热水水箱 及换热器
• 对建筑的要求:
– 需要25平方米的机房,用以 安装热泵主机,水泵和其他 辅助设备.机房最好在底层 或地下室.
EVAP COND
22 C
27 C
板
换
地埋管系统
报价部分
生活热水箱
风机盘管
40 C 45 C
地源热泵和太阳能集成系统－冬季运行
•热泵机组提供45C的热水给末端设备
如风机盘管和地板加热器,用于采暖。
•热泵机组的热源来自于地埋管和太阳
能集热器。
•在满足冬季生活热水的前提下, 太阳
12 C
能集热器还用来加热地埋管水, 以提
地源热泵和太阳能集成系统的工作原理
• 夏季 – 生活热水主要来自太阳能集热 系统, 阳光不足时,电加热辅助. – 热泵系统吸收房间的热量,使房 间温度降低, 并将热量释放到 土壤中.
• 冬季 – 生活热水主要来自太阳能集热 系统, 阳光不足时,电加热辅助. – 热泵系统从土壤和太阳能中汲 取热量, 供房间采暖的需求.
附加说明: • 阳光不足时电加热辅助是出于成本
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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。
2.1换热井群形状设计
一般采暖面积＜2000m2的项目，换热井数量相对较少，小型换热井群周围蓄热空间庞大，一般不考虑井群形状。
数量超过50口以上，且较集中的换热井群，需注意井群形状问题。
一般换热井群俯瞰以细长状为宜，外形为L、T 或X 型均可。
最大限度减小换热井群数量，
避免大型换热井群堆积造成井群中心出现低温度区。
如图5所示。
2.2地下能量失衡及解决方法
由于大地传热性惰性较大，温度降低或上升不能短时间内回复原来温度范围，采暖项目在冬季利用热泵技术提取地下热能，春、夏、秋季为地下热能恢复期，一般中小型工程只要换热井数量设计充足，在经过三季漫长过程中是可以回复原来温度范围的。
增加夏季制冷功能，该功能是向地下放热过程，有利于地下温度恢复。
大中型采暖项目，特别是冬季采暖期远长于夏季制冷期，长时间提取地下热能，部分地区会出现地下热能失衡现象，地下不丰富流层地质尤为突出，换热井群形成局部低温环境。
几年后容易造成热泵运行费用剧增，甚至无法正常运行。
我国北方采暖期长于制冷期，地下热能失衡是无法避免的。
除了合理的设计换热井的距离、数量及井群形状之外，还可以利用太阳能跨季节蓄热技术来弥补地下亏损热能。
太阳能跨季节蓄热技术已成熟，他不仅可以解决现有的地源热泵地下失衡问题，还可以为早期因地下热能失衡问题失败的地源热泵案例恢复其功能。
不过为地下补充热量也应经过严格计算，地下补热过盛也是热量失衡的表现，由于地源热泵设备对热源要求温度不能过高，所以太阳能补热温度太高也会造成热泵设备不能正常工作。
如图6所示。
3结论
在采暖季长于制冷季的地区，利用地埋管式换热系统的采暖技术，最严重的问题就是地下热量失衡。
它会使井水温度过低，热泵机组运
行效率低下甚至无法运行。
地下热量失衡地区一般地质相对闭塞，地下流体不活跃及流体分布少甚至没有流体，地质相对湿度较小，这种地质做地源项目容易发生地下热量失衡问题，可此种地质对采用太阳能跨季节蓄热技术是有利的。
该技术已为几家前几年运行的因地下热量失衡问题无法正常运行的地源热泵系统，增加了跨季节蓄热功能，彻底解决了热量失衡问题。
跨季节蓄热技术太阳能集热面积概算：根据当地采暖季与制冷季相差天数，计算多出天数的负荷应为每季所需补充热量。
太阳能产出热能计算：夏季约600W/（m2/h）；春、秋季约300W/（m2/h）。