0引言
随着世界化石能源的过度消耗以及环境问题的逐渐恶化，各个国家都在大力发展对环境友好且可再生的能源技术，地源热泵技术是一种以土壤为冷/热源，利用地埋管与土壤进行换热的可再生技术。近些年，该技术 山东建筑大学热能工程学院李昊轩
摘要：随着地源热泵系统的规模化应用，这种以地热为冷/热源的系统的冬夏季负荷不均所导致的土壤热失衡问题逐渐暴露出来，该问题限制了地源热泵系统的长期高效运行。缓解土壤热失衡可通过运行策略调节来平衡冬夏季负荷或增加辅助设备进行能量补偿等思路进行考虑，对现有的几种缓解土壤热失衡的技术如对管进行分区运行，系统间歇运行，增加管间距，使用复合地源热泵系统，增加钻井深度等进行了简要的原理介绍，并对这几种技术的研究现状进行了综述。 关键词：地热；地源热泵；热失衡
DOI编码:10.16641/jki11-3241/tk.2021.01.004
Current situation of technology to alleviate soil thermal imbalance of
ground source heat pump system
Department of thermal engineering，Shandong Jianzhu University
Li Haoxuan
Abstract：With the large-scale application of ground source heat pump system，the problem of ground heat imbalance caused by the uneven load in winter and summer of the system with geothermal as the cold/heat source is gradually exposed.This problem limits the long-term and efficient operation of ground source heat pump system.To alleviate the problem，we can balance the load in winter and summer by adjusting the operation strategy or increase the auxiliary equipment for energy compensation In this paper，several existing technologies to alleviate the imbalance of soil heat are introduced，such as zonal operation of pipe group，intermittent operation of system，increase of pipe spacing，use of composite ground source heat pump system,increase of drilling depth，and the research status of these technologies are summarized.
Keywords:geothermal；ground source heat pump；thermal imbalance
被大量应用以实现低能耗对建筑进行供冷供热，对于浅层地热而言，单根地埋管的换热量较低。为满
足对建筑物的热量供应，往往需要大规模管系统。然而大规模管的地源热泵系统的长期运行也逐渐暴露出许多问题，其中由于夏冬季冷热负荷的不均衡，导致土壤的热失衡问题尤为突出，地下温度场得不到恢复，导致地源热泵的换热能力减低，机组的运行效率不断下降，许多地源热泵系统在运行一段时间后，其系统的运行效果就已经无法满足建筑最基本的供冷或供热需求，土壤的热失衡成为制约了地源热泵系统大规模应用的主要问题之一。
目前缓解管运行的土壤热失衡问题主要有对管系统进行分区运行；机组间歇运行；增加管钻孔间距；利用其它能源如太阳能作为辅助热源的地源热泵系统；增加钻井深度，利用中深层地热进行建筑为供能等方式。本文针对这几种方法，对其技术原理及现状进行了概述。
1缓解土壤热失衡技术
1.1管分区运行控制策略
对于冬夏季负荷不匹配的地源热泵系统而言，以夏季负荷大于冬季负荷为例，由于地埋管夏季向土壤放热量大于冬季地埋管的取热量，而由于土壤的热扩散性低以及距离较大的问题，管中心的热量很难散失到外部土壤导致热堆积。张凯等［1］针对不分区运行时，埋管夏季每延米月均换热量为45W/m，冬季每延米月均换热量30W/m，夏季负荷较冬季负荷大50%，冬、夏两季分别运行3个月情况，提出夏季运行所有埋管，而冬季运行中心区域的埋管运行策略，保证了冬夏季运行埋管的单管负
荷基本匹配，且冬季停止运行的外围埋管可以不断向外围土壤放热，有效地缓解了土壤的热堆积情况。采用分区运行在夏季供冷结束后，地下50m处的土壤温度较不分区的情况温度低3℃，有效地缓解了土壤的热堆积情况；牛犇等［2］提出了在冬夏季初期只运行中心区域的分区运行方法，并通过模拟发现，分区运行对缓解地下热量累计十分有效。
不同的分区运行策略对于土壤热堆积缓解往往有不同的效果。郭春梅等［3］将地埋管换热器分成内中外分区如图1（a）、块状分区如图1（b）、间隔分区如图1（c）三种分区策略，将地埋管换热器分成几个区域，根据负荷的不同选择运行区域的规模。在刚开始供冷或者供热时，负荷较小，仅运行一个区域的地埋管换热器，随着负荷的增加而增加地埋管的换热区域。仅以内中外分区为例，在低负荷时，先运行外区，随着负荷的增加，运行中一区以及中二区，最后运行内区；当负荷减少后，先关闭内区，最终关闭外区。该运行方式也是为减少中心区域的运行时间，以中心减少热量的累计。对三种分区策略进行模拟分析，发现采用内中外分区策略更能有效减轻埋管区域土壤热堆积。王亮等［4］研究了负荷控制法、时间控制法、水温控制法三种地埋管管运行策略，并对此三种控制策略进行全年动态分析，并认为采用分区运行的控制策略节能率达到20%。郭敏等［5］提出三种外密内疏的分区优化埋管布置方式，并验证了采用外密内疏的布置方式能够有效降低中心区域温度场的波峰现象。
对管进行分区控制能够有效缓解土壤的热失衡问题，而且分区运行不需要对原有的地源热泵管系统做较大改动或者增加大型辅助装置，具有较好的实际操作性。
1.2机组间歇运行策略
地源热泵机组的间歇运行策略，即不保持机组的常开状态，在保证室内一定温度的情况下，根据地下温度场的情况来判断机组是否开机，保证地下温度场有充足的时间恢复，以加强运行期间内地埋管与土壤的传热过程，提高地热能的利用率，延长机组的使用年限。
学者不断通过实验验证间歇运行对地下
温度场的恢复有积极作用。於仲义等［6］通过对地源热泵地埋管实际运行测试显示，间歇运行能够最大程度地利用土壤的蓄热特性，相比连续运行，间歇运行的地埋管换热能力提高33.9%。陈颖等［7］通过对比地源热泵连续运行及间歇运行两种工况情况下的地埋管换热能力，发现间歇运行能有效提高地埋管的换热能力。吕艺青等［8］对实际运行的地源热泵系统夏季制冷间歇运行特性进行实验研究，证明，在定流量的情况下，开机运行2h，停机2h运行方案，机组运行性能最好，停机
2h，机组开机2h、3h、4h，都可以使地埋管的换热能力得到恢复。
1.3增加钻孔间距
增加钻孔间距是缓解土壤热量堆积，减少埋管之间热干扰的最为简单有效的方式。但增大的钻孔间距使地埋管所需要的土地面积增加，造成土地的浪费以及初投资的增加。因此，到最合适的钻孔间距，
是当今学者们的主要研究课题。Marco［9］等利用参数分析法研究了建筑物保温系数、钻孔间距与数量对于地源热泵的影响，研究表明，最佳钻距随着建筑物参数如保温系数的变化而变化。鲍谦等［10］对3m~6m不同埋管间距下单元埋管区全年土壤温度场进行了数值模拟，确定了最佳埋管间距为4m。王沣浩等［11］通过数值模拟的方法研究钻孔间距对管传热的影响，如图2所示为6m×6m管区域热效率变化，钻孔间距的增加能够明显减缓管区域热效率衰减。郭春梅等［12］计算分析了4.8m~
10.4m，8种钻孔间距的土壤温度分布，证明当钻孔间距达到8.8m以后，增加钻孔间距对
（a）中内外分区（b）块状分区
（c）间隔分区
图1地埋管分区图
于缓解土壤热堆积的程度减小，随着钻孔间距的增加，管向外扩散的热量减小，土壤温度降低。
钻孔间距的增加能够在缓解管土壤热堆积，提高地埋管换热器的换热能力，但在增加钻孔间距的同时，需要考虑到土地使用面积的问题，同时当钻孔间距增加到一定程度时，管间的热干扰影响已经不明显。所以，最佳钻孔间距的确定需结合各种因素进行判断。
1.4
复合地源热泵系统
为缓解地源热泵系统在运行过程中的土壤热失衡问题，解决冬夏季冷热负荷不平衡的问题，在原来地源热泵系统的基础上，引入辅助冷却或者加热装置，形成复合地源热泵系统。复合地源热泵系统可以弥补某些地区冬夏季负荷不平衡的缺陷，在经济方面，辅助设备的使用，可以有效减少埋管长度，节约钻井成本。目前主要的辅助装置主要是太阳能集热器和冷却塔。
1.4.1
太阳能-地源热泵复合系统
该系统主要由四部分组成：热泵机组、地埋管换热系统、太阳能集热系统及建筑物内设备，整个系统利用浅层地热和太阳能。太
阳能直供式系统流程图［18］
如图3所示。
在寒冷地区，采用单一的地源热泵系统，其冬季热负荷大于夏季冷负荷，造成全年累计取热量不平衡，土壤温度逐年降低。经过学者们的研究，将太阳能集热器的热量回灌
地下能够有效缓解寒冷地区的土壤热失衡问
题。Andrew 等［13］
提出利用太阳能作为辅助
热源配合地源热泵运行的初步设想。Farzin
等［14］利用仿真软件TRNSYS ，对常规地源热
泵系统和以太阳能集热器为辅助部件的复合地源热泵系统的年运行性能进行建模比较，证明了该复合热泵系统的可行性。Bernier
等［15］利用分析模型对常规地源热泵、单回路
利用太阳能作为辅助热源以及双U 型管中一条回路利用太阳能作为辅助热源三种方式，进行20年模拟运行，得出无论单U 型或者双U 型管，以太阳能作为辅助热源的地源热泵系统，冬季在土壤的取热量低于常规地源热泵系统，有效减缓了土壤温度不断下降的趋
势。朱大龙等［16］利用DeST 软件，对某工程进
行了年逐时模拟，证明了太阳能-地源热泵系统具有良好的蓄热能力，可以有效解决寒冷地区的冷热平衡问题。
1.4.2
冷却塔-地源热泵复合系统
该系统主要由地埋管换热系统、冷却塔散热系统、热泵机组以及建筑物内设备组成。图4为复合系统原理图。该系统适用于机组全年冷负荷大于热负荷的情况，当夏季冷负荷过大时，冷却塔开机承担一部分冷负荷，或
者采用间歇运行的方式。王景刚等［17］
对间歇
运行的复合地源热泵机组采用夜间热泵机组停止运行，
冷却塔开机对土壤进行降温的运
图26m×6m
管区域热效率变化
图3
太阳能直供式系统流程图
地源热泵换热行策略，实验表明，此运行策略对地温的恢复具有明显的作用。
1.5
中深层地埋管换热器技术
通常我们将40m~150m 称为浅层地热能技术。利用浅层地热的地埋管换热器需要一定规模的管，在占用大面积土地的同时，其在冬夏季负荷不匹配地区所暴露出来的土壤热失衡问题成为制约其发展的主要因素。近些年来我国出现了将钻井深度延伸至1500m~2500m 新型地埋管形式，我们将之称为中深层地埋管换热器技术。由于钻井深度的增加，深层土壤温度较高，所需钻井数量减少，钻井距离可以适当增加，这样就避免了管间的热干扰，深层地热储量大，不易出现热堆积现象。常规地源热泵系统热源侧换热器单位长度取热量为40W/m ，相比之下，中深层地热源热泵系统热源侧换热器单位长度取热量可以达到常规地源热泵系统的2.0～3.6倍。由于当埋管深度达到1500m~2500m 后，其钻孔周围温度能达到60℃~90℃以上，故中深层地埋管系统适用于冬季建筑物供暖，夏季该系统停机。该系统其地埋管形式通常为同
轴套管式，中深层地源热泵系统示意图［18］
如
图5所示。
关于中深层地埋管换热器技术的研究，近几年来刚刚起步，对于管井的传热模型建
立方面，季丰旭［19］
建立同轴套管式地下热交
换器的物理及数学模型，并利用fluent 模拟软件，模拟了井内流体换热过程，为优化同轴套管式换热器设计提供了基础数据和理论指
导。王硕等［20］
对钻井深度为2605m 的同轴
套管式地埋管换热器系统，建立了耦合管内外换热的全尺寸数值计算模型。Soleiman
等［21］研究了不同直径比的同轴套管换热器在
地下换热的热力学性能，并利用模拟软件模
拟了换热器流体的流动与换热。姜思航［22］
建
立了适用于严寒地区的同轴套管换热器的半经验设计计算模型、二维解析模型、二维数值
模型。方亮［23］在孔壁的的温度在轴向上保持
一致的简化假设下，建立内外管与钻孔壁之间的传热模型，同时独立开发了基于有限差分法的数值计算模型和高效解法。
对于中深层地埋管换热器性能研究方
面，邓杰文等［18］通过监测中深层地源热泵供
暖系统的实际运行情况验证了中深层地源热泵热源侧出水温度明显高于其他常规热泵系统，同时说明了中深层地源热泵热源侧出水温度明显高于其他常规热泵系统，且中深层地源热泵热源侧单位管长换热量是常规地源
热泵的2到3.6倍。王敬德等［24］通过计算分
析了钻井深度、地温梯度等对中深层地埋管换热器换热性能的影响，并对这些因素对地埋管换热器换热量的影响进行了计算。满意
等［25］则建立弃井内换热的物理模型，将其应
用于利用奇景开采中深层地热名义取热量的模拟，研究了循环水流量、外管直径等因素对名义取热量的影响。
由于中深层地热能储能巨大，利用中深层地埋管换热器进行冬季供暖，
土壤温度不
图4冷却塔-
地源热泵复合系统
图5中深层地源热泵系统示意图
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