隨著人類的文明、社會的進步、科技的發(fā)展以及對住房的需求，房屋建設正在如火如荼的建設當中，而以犧牲環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展為代價的傳統(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)上是一個生態(tài)文明建設和學習實踐科學發(fā)展觀的過程。其目的和作用在于實現(xiàn)與促進人、建筑和自然三者之間高度的和諧統(tǒng)一；經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益三者之間充分的協(xié)調(diào)一致；國民經(jīng)濟、人類社會和生態(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)的應用也越來越廣泛，而其運行情況的好壞已經(jīng)重要影響著整個建筑的節(jié)能情況。

地源熱泵系統(tǒng)目前存在的問題

全國已經(jīng)有多個數(shù)十萬平米的土壤源熱泵項目開始運行。這些密集型垂直埋管的方式雖然能較好的適應中國地少人多的國情，但是也帶來了技術上的隱患：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)引起了各方面對此技術長期運行效果越來越多的擔心。

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，雖然熱泵機組的熱源和熱匯都是擴散半徑范圍內(nèi)的土壤溫差，但由于建筑物冬夏空調(diào)負荷以及運行的時間不一致，導致在空調(diào)運行期間土壤換熱器系統(tǒng)夏季累計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超過土壤自身對熱量的擴散能力，造成其溫度不斷偏離其初始溫度，并導致土壤換熱器系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的溫度隨之變化以及系統(tǒng)運行效率逐年下降。

土壤源熱泵周期運行后土壤溫度出現(xiàn)上升和下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果，都對系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行不利。如果土壤源熱泵系統(tǒng)承擔全部空調(diào)負荷，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)，夏季累積冷負荷比冬季累積熱負荷大的多），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)時間和負荷強度有明顯差異，而且夏季土壤還要承擔制冷機組和水泵等設備散熱造成的，因此勢必造成埋管區(qū)域，在系統(tǒng)長年運行之后造成“熱堆積”現(xiàn)象。

圖1土壤溫度呈持續(xù)上升趨勢（長三角地區(qū)）

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

圖2、圖3所示為常州某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)投入運行第三年以后，夏季冷卻水供回水水溫、熱泵機組效率COP的變化情況[3]。可見，投入運行后，一天內(nèi)系統(tǒng)的冷卻水出水溫升高達6℃，即冷卻水出口水溫由37℃達到43℃，這將使得熱泵機組的效率急劇下降，COP值從3.66下降到3.14，下降福大高達 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)長期運行，熱堆積現(xiàn)象將越來越嚴重，違背了采用地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的初衷，甚至將導致熱泵機組無法正常運轉。

圖2常州某辦公樓土壤源熱泵系統(tǒng)的夏季冷卻水溫實測

圖3常州某辦公樓土壤源熱泵系統(tǒng)的夏季 COP實測

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)的合理設計、優(yōu)良的施工質(zhì)量以及規(guī)范化的運行管理進行規(guī)避。

具體可采用以下技術手段緩解土壤熱平衡問題：

1）將土壤換熱器與熱泵機組對應設置成多個回路輪流使用，在部分負荷時優(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時間，避免中心局部過熱。

2）對冬夏季節(jié)土壤熱負荷差異較大的項目可以通過設置輔助冷卻系統(tǒng)調(diào)峰、采用熱泵機組熱回收技術減少夏季排熱等措施，以抵消多余的負荷，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空調(diào)季土壤溫度變化進行實時檢測，當土壤溫升超過規(guī)定數(shù)值后，啟動調(diào)峰系統(tǒng)運行。

以上技術手段的前提是需要針對實施的項目進行有針對性的建筑空調(diào)動態(tài)負荷計算，對建筑動態(tài)負荷特性進行準確的預測，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組合消除冷熱不平衡。

對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組；二、采用冷卻塔輔助冷卻。當采用全熱回收熱泵機組時，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)負荷和生活熱水負荷設計地埋管換熱器，冬季空調(diào)熱負荷和生活熱水負荷全部由地埋管承擔，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，系統(tǒng)從土壤提取熱量；

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

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

結論

（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，將會導致建筑的冷熱負荷不相等，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）通過對常州某辦公建筑土壤源熱泵系統(tǒng)夏季工況下冷卻水進出口溫度及機組COP的測量指出：如果不采取有效措施，“熱堆積”問題將會導致土壤溫度逐年上升，使得地源熱泵系統(tǒng)機組效率下降嚴重，對機組的正常運行造成影響，違背節(jié)能的初衷。

（3）采用復合式系統(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，而設置有效的土壤溫度檢測系統(tǒng)和相應的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是實現(xiàn)這一措施的關鍵。在夏熱冬冷地區(qū)，采用全熱回收熱泵機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）應當注重和加強對于土壤源熱泵系統(tǒng)運行管理。土壤源熱泵系統(tǒng)運行管理不善會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)設計時所采取的熱平衡措施失效。對于較大的土壤源熱泵系統(tǒng)應制定具體的全年運行模式和規(guī)范化運行管理規(guī)定，并對操作人員進行相關培訓，以減少不必要的系統(tǒng)效率下降。