隨著人類的文明、社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展以及對(duì)住房的需求，房屋建設(shè)正在如火如荼的建設(shè)當(dāng)中，而以犧牲環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展為代價(jià)的傳統(tǒng)建筑和房地產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走到了盡頭。發(fā)展綠色建筑的過程本質(zhì)上是一個(gè)生態(tài)文明建設(shè)和學(xué)習(xí)實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀的過程。其目的和作用在于實(shí)現(xiàn)與促進(jìn)人、建筑和自然三者之間高度的和諧統(tǒng)一；經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益三者之間充分的協(xié)調(diào)一致；國民經(jīng)濟(jì)、人類社會(huì)和生態(tài)環(huán)境又好又快地可持續(xù)發(fā)展。作為綠色建筑的重要組成部分，地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，而其運(yùn)行情況的好壞已經(jīng)重要影響著整個(gè)建筑的節(jié)能情況。

地源熱泵系統(tǒng)目前存在的問題

全國已經(jīng)有多個(gè)數(shù)十萬平米的土壤源熱泵項(xiàng)目開始運(yùn)行。這些密集型垂直埋管的方式雖然能較好的適應(yīng)中國地少人多的國情，但是也帶來了技術(shù)上的隱患：土壤換熱器布置范圍內(nèi)的土壤能否持續(xù)保持熱平衡，已經(jīng)引起了各方面對(duì)此技術(shù)長期運(yùn)行效果越來越多的擔(dān)心。

土壤源熱泵依靠土壤換熱器（ground heat exchanger）從地下土壤中提取溫差能，雖然熱泵機(jī)組的熱源和熱匯都是擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)的土壤溫差，但由于建筑物冬夏空調(diào)負(fù)荷以及運(yùn)行的時(shí)間不一致，導(dǎo)致在空調(diào)運(yùn)行期間土壤換熱器系統(tǒng)夏季累計(jì)向土壤的放熱與冬季從土壤的取熱量一般并不一致，這樣長期取放熱量不平衡的堆積會(huì)超過土壤自身對(duì)熱量的擴(kuò)散能力，造成其溫度不斷偏離其初始溫度，并導(dǎo)致土壤換熱器系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的溫度隨之變化以及系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年下降。

土壤源熱泵周期運(yùn)行后土壤溫度出現(xiàn)上升和下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果，都對(duì)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行不利。如果土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部空調(diào)負(fù)荷，大多數(shù)情況下其全年從土壤的取放熱量是不平衡的，在我國的長三角地區(qū)（即夏熱冬冷地區(qū)，夏季累積冷負(fù)荷比冬季累積熱負(fù)荷大的多），如圖1，表現(xiàn)為散熱量多余取熱量，這主要是由于供冷季、供暖季持續(xù)時(shí)間和負(fù)荷強(qiáng)度有明顯差異，而且夏季土壤還要承擔(dān)制冷機(jī)組和水泵等設(shè)備散熱造成的，因此勢(shì)必造成埋管區(qū)域，在系統(tǒng)長年運(yùn)行之后造成“熱堆積”現(xiàn)象。

圖1土壤溫度呈持續(xù)上升趨勢(shì)（長三角地區(qū)）

長三角地區(qū)，建筑物夏季供冷的時(shí)間要比冬天供暖的時(shí)間長約1個(gè)月，供冷負(fù)荷的絕對(duì)值也要比熱負(fù)荷的絕對(duì)值高出近1倍，越在供冷為主的地區(qū)這種差異越大。這樣系統(tǒng)運(yùn)行多年后積累的熱量會(huì)引起土壤溫度逐年上升，嚴(yán)重時(shí)可以造成夏季高峰負(fù)荷期土壤換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水溫達(dá)40℃以上，引起熱泵機(jī)組的制冷效率嚴(yán)重降低。

圖2、圖3所示為常州某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)投入運(yùn)行第三年以后，夏季冷卻水供回水水溫、熱泵機(jī)組效率COP的變化情況[3]。可見，投入運(yùn)行后，一天內(nèi)系統(tǒng)的冷卻水出水溫升高達(dá)6℃，即冷卻水出口水溫由37℃達(dá)到43℃，這將使得熱泵機(jī)組的效率急劇下降，COP值從3.66下降到3.14，下降福大高達(dá) 13.9%。可見，如果多余的熱量無法得到有效排放，地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行，熱堆積現(xiàn)象將越來越嚴(yán)重，違背了采用地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的初衷，甚至將導(dǎo)致熱泵機(jī)組無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2常州某辦公樓土壤源熱泵系統(tǒng)的夏季冷卻水溫實(shí)測

圖3常州某辦公樓土壤源熱泵系統(tǒng)的夏季 COP實(shí)測

解決土壤熱平衡問題的措施

土壤熱平衡問題雖然是土壤源熱泵系統(tǒng)的隱患，但重在事前解決，完全可以通過事先系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、優(yōu)良的施工質(zhì)量以及規(guī)范化的運(yùn)行管理進(jìn)行規(guī)避。

具體可采用以下技術(shù)手段緩解土壤熱平衡問題：

1）將土壤換熱器與熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)設(shè)置成多個(gè)回路輪流使用，在部分負(fù)荷時(shí)優(yōu)先使用土壤換熱器布置的周邊回路，以延長土壤換熱器的溫度自然恢復(fù)時(shí)間，避免中心局部過熱。

2）對(duì)冬夏季節(jié)土壤熱負(fù)荷差異較大的項(xiàng)目可以通過設(shè)置輔助冷卻系統(tǒng)調(diào)峰、采用熱泵機(jī)組熱回收技術(shù)減少夏季排熱等措施，以抵消多余的負(fù)荷，解決熱平衡問題。

3）在土壤換熱器布置場地中心位置布置溫度傳感器對(duì)空調(diào)季土壤溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)土壤溫升超過規(guī)定數(shù)值后，啟動(dòng)調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行。

以上技術(shù)手段的前提是需要針對(duì)實(shí)施的項(xiàng)目進(jìn)行有針對(duì)性的建筑空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，對(duì)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，分析冬夏季節(jié)的冷熱不平衡率，然后根據(jù)現(xiàn)場條件分析合適的技術(shù)組合消除冷熱不平衡。

對(duì)于土壤的冷熱不平衡現(xiàn)象采用以下兩種措施：一、采用全熱回收熱泵機(jī)組；二、采用冷卻塔輔助冷卻。當(dāng)采用全熱回收熱泵機(jī)組時(shí)，可采用如下的優(yōu)化處理方法解決系統(tǒng)的熱平衡問題：

1、系統(tǒng)按照滿足冬季空調(diào)負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷設(shè)計(jì)地埋管換熱器，冬季空調(diào)熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷全部由地埋管承擔(dān)，系統(tǒng)從土壤提取熱量；

2、在短暫的過渡季節(jié)，生活熱水需求由地埋管承擔(dān)，系統(tǒng)從土壤提取熱量；

3、在夏季，由于同時(shí)有生活熱水需要和空調(diào)供冷需要，因此優(yōu)先啟用全熱回收機(jī)組承擔(dān)熱水需求和空調(diào)供冷需求。在滿足熱水，并且夏季冷負(fù)荷不大的情況下，系統(tǒng)無需向土壤提取或釋放熱量；

4、在夏季空調(diào)冷負(fù)荷較大時(shí)，由大型熱泵機(jī)組承擔(dān)冷負(fù)荷，該部分的冷源由土壤承擔(dān)，同時(shí)啟用熱回收機(jī)組滿足熱水需求和剩余空調(diào)冷負(fù)荷需求。由于夏季的熱水需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冬季，在使用熱回收機(jī)組制取足夠熱水的同時(shí)，還考慮了使用冷卻塔來承擔(dān)夏季尖峰時(shí)節(jié)的冷負(fù)荷，以緩解土壤熱不平衡。

結(jié)論

（1）本文分析了地源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問題的根源：由于建筑所處地區(qū)氣候環(huán)境的不同，將會(huì)導(dǎo)致建筑的冷熱負(fù)荷不相等，從而向土壤取熱和排熱存在差異，土壤熱平衡出現(xiàn)問題。

（2）通過對(duì)常州某辦公建筑土壤源熱泵系統(tǒng)夏季工況下冷卻水進(jìn)出口溫度及機(jī)組COP的測量指出：如果不采取有效措施，“熱堆積”問題將會(huì)導(dǎo)致土壤溫度逐年上升，使得地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組效率下降嚴(yán)重，對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響，違背節(jié)能的初衷。

（3）采用復(fù)合式系統(tǒng)是解決土壤熱平衡問題的較好途徑，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成制定土壤換熱器的全年取放熱平衡方案有助于從根本上減小出現(xiàn)土壤熱失衡，而設(shè)置有效的土壤溫度檢測系統(tǒng)和相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一措施的關(guān)鍵。在夏熱冬冷地區(qū)，采用全熱回收熱泵機(jī)組或采用冷卻塔輔助冷卻是解決“熱堆積”現(xiàn)象的有效手段。

（4）應(yīng)當(dāng)注重和加強(qiáng)對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行管理。土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行管理不善會(huì)引起甚至放大土壤冬夏取放熱量的不平衡率，而且可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所采取的熱平衡措施失效。對(duì)于較大的土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)制定具體的全年運(yùn)行模式和規(guī)范化運(yùn)行管理規(guī)定，并對(duì)操作人員進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，以減少不必要的系統(tǒng)效率下降。