无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析

无锡市地源热泵空调工程实际应用【摘要】随着社会科技水平的发展，人们的生活水平的不断提高，人们对环境保护的意识越来越强，地源热泵空调技术随着国家部门的推广，人们对此技术的应用开始关注，但如何应用，如何选型都还不太了解，本文通过介绍北塘文教中心地源热泵工程实例，让人们加强对地源热泵空调认识。

【关键词】地源热泵；地埋管；空调0.引言地源热泵系统也称地耦合系统或土壤源地源热泵系统，GB50366-2005（地源热泵系统工程技术规范）定义为地埋管地源热泵系统。

该系统的工作原理：系统采用闭式方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，进行空调系统与外界土壤之恒定冷热交换。

室内部分以一台或多台整体直接送风、冷媒水加风机盘管等多种形式通过水系统形成水网环路。

由于合理利用了清洁可再生能源，符合人类利用能源的产业策略，并有效提供高效、稳定的能源利用，尤其是在采暖模式优势更为明显；该形式在北美及欧洲被普遍采用，并受当地政府积极推广支持；该空调形式有着无可比拟的优势，随着我国国民经济飞速发展，国内市场也迅速扩大，这为地埋管地源热泵系统的发展提供了很好的机遇；本文以无锡市北塘文教中心地源热泵项目为例，详细介绍了地源热泵在无锡地区的实体应用情况。

1.工程概况该项目以餐饮、娱乐、教育、办公为一体的综合性建筑，总建筑面积85000m2，其中地源热泵空调面积建筑面积为38295m2，其中一层建筑面积为8498m2，二层建筑面积为7788m2，三层建筑面积为8271m2，四层建筑面积为7818m2，五层建筑面积为4118m2，六层建筑面积为1802m2。

2.建筑负荷根据设计图纸要求，此建筑需配备地源热泵空调系统的建筑总热负荷为3500kw，总冷负荷为5200kw。

室内设计参数：3.土壤结构及热物性参数工程土壤性质根据该项目的工程岩土工程勘察报告，土壤在地下0～100米深范围内分为以下几层，见表格：根据本项目可钻孔面积较少，通过热响应测试，土壤平均导热系数 1.6～1.8w/m.k最终选取De25的双U型埋管方式。

地源热泵系统调研报告根据李总指示，设计院相关人员参加调研，实地了解无锡太湖半岛国际广场地源热泵系统，听取了精力能源科技公司(鸿意房产下属公司）谢副总经理和朱助理对该系统技术、安装、运行和投资等方面问题的介绍，同时就我公司新大楼地源热泵系统的前期运作进行了沟通，具体报告如下：一、调研情况1、地源热泵系统技术简介地源热泵是一种利用地下浅层地热资源，既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，该系统可分为地能换热系统、地源热泵机组、室内空调末端系统三个部分，地源热泵机组的运行靠少量的电力驱动，它的工作原理是通过向机房系统内的热泵机组输入一定电能驱动压缩机做功，使机组中的介质反复蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，从而将地源系统中的能量提取和传导到用户系统，实现空间上的热量交换和传导转移。

在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于取暖；在夏季，把室内的热量“取”出来，释放到土壤中去，并且常年能保证土壤中能量的均衡。

地源热泵系统虽然初期投资高于其他空调系统，但由于地源属于可再生能源，1KW的驱动电能，能产生4KW的热量，节能大大优于一般空调系统，也优于水源热泵系统，具有环保、节能、运行费用低、维护费用少、一机多用、操控安全、空气品质好的优点。

2、无锡太湖半岛国际广场地源热泵系统介绍由鸿意房产开发的五星级无锡太湖半岛国际广场和酒店，2006年开工，该广场集商铺、办公、餐厅、会议等为一体化多功能国际城，酒店建筑面积59000m2 ,空调面积为45000 m2；商场建筑面积160000 m2,空调面积为60000 m2，采用地源热泵系统进行夏季供冷，冬季供暖。

目前由于酒店未投用，因此酒店部分的地源热泵也未投入使用，商场地源热泵采用两台771KW离心泵机组和两台195KW螺杆泵机组,机组安装在大楼底层，为方便安装和将来更新，在底层设置了吊装通道，国际广场目前投用的是一台离心泵机组，用户反映运行效能和可靠性较高、故障率较低，具有使用寿命长、不受水源限制的优点，目前生产的地源热泵机组使用年限在20年左右。

无锡市XX科技园温室地源热泵空调系统设计方案1. 工程概况本项目位于无锡市东部XX区XX科技园内，构筑物南北长120米，东西宽40米，坡顶高度4.8米，天沟高3.9米，四周及顶部均采用4mm单层玻璃做为围护材料，整个玻璃温室由钢结构骨架支撑，总面积4800平方米。

2. 空调冷热源2.1 设计参数室外设计参数夏季：空调室外计算干球温度 35℃冬季：空调室外计算干球温度 -3℃室内设计参数夏季：25～30℃，湿度不控制冬季：8～15℃，湿度不控制2.2 空调设计负荷夏季根据围护结构进行逐项逐时冷负荷计算，选取峰值负荷；冬季耗热量由围护结构耗热量、冷风渗透耗热量及冷风侵入耗热量组成，计算结果如下：夏季：336.5 kW 冬季：442.2 Kw由于夏季室内温度保持在30℃左右，且该温室设有遮阳设施及通风换气设备，对空调温度要求不高；而冬季主要靠地源热泵系统加温，无其它辅助设备，且室温须严格保持在8～15℃。

因此，本设计以冬季供热负荷为计算依据。

2.3 空调冷热源温室供暖系统常用两种形式：热风系统和热水系统。

热风系统一般采用燃油锅炉，将温室内的回风加热后，经暖风机通过塑料薄膜风管送出。

送风管的壁面上有规律地排列了很多小风口，能较均匀的送出热风。

采用塑料薄膜风管的好处是造价低廉，对光照影响不大，但热风温度控制困难。

热水供热系统采用室内布设光管或管道绕翅片做为散热面，与热风系统相比，最大的优点是室内温度场均匀，温度波动小，缺点是当冷风大量渗透时加热较慢。

本工程以垂直地埋管换热器替代锅炉作为冬季空调的热源，并兼做夏季空调的冷却水水源。

室内地源热泵机组均匀吊装在温室内，直接送出热风，去除了常规温室供热系统中的风管或者散热管道。

该系统吸收了热风采暖的优点，又省去了大量的散热管道，室内温度控制均匀。

地源热泵系统中的换热器垂直埋放在温室东侧的绿化带内。

3. 空调系统设计3.1 空调水系统水系统采用两管制，整个温室为一个闭式水系统。

土壤源热泵系统热平衡问题探究I. 引言A. 背景介绍B. 问题陈述C. 目的和意义II. 土壤源热泵系统原理和设计A. 土壤源热泵系统的工作原理B. 土壤介质的选择和设计参数C. 热平衡模型的建立和分析III. 土壤源热泵系统的热平衡问题A. 热平衡的定义和计算方法B. 影响热平衡的因素C. 热平衡的优化方法IV. 土壤源热泵系统的热平衡问题实验研究A. 实验设计和方法B. 实验结果和分析C. 实验结论和启示V. 土壤源热泵系统的未来发展A. 系统优化与升级B. 控制和管理技术的进步C. 可持续发展的方向和挑战VI. 结论A. 主要研究成果总结B. 研究意义和展望C. 工程应用和经济效益分析参考文献第一章引言随着人口的增长和城市化进程的加速，全球能源消耗和环境污染问题已经引起了越来越多的关注。

传统的空调和采暖设备在能源利用和环境保护方面存在诸多问题，给人类社会带来了巨大的负担和挑战。

在这样的背景下，土壤源热泵系统作为一种绿色、节能、环保、可持续开发利用的新型能源技术，受到越来越多的关注和重视。

本文旨在探究土壤源热泵系统的热平衡问题，从而为其进一步发展和应用提供参考。

背景介绍土壤源热泵系统是一种利用地下土壤介质作为热能源的高效节能技术。

它通过地下换热器和热泵机组相结合，将地下土壤的热能贮存转化为供热或制冷的能源，达到节能、减排和保护环境的目的。

土壤源热泵系统具有以下优点：1. 环保：土壤源热泵系统无排放，减少了对环境的污染。

2. 节能：土壤源热泵系统将低温热能转化为高温热能，节约了能源。

3. 稳定：土壤温度变化相对较缓慢，可以提供相对稳定的热源或冷源，满足长期建筑物的供暖或制冷需求。

4. 经济：土壤源热泵系统的成本低，维护方便，操作简单。

问题陈述土壤源热泵系统虽然具有很多优点，但是其在实际应用中也存在一些问题。

其中最大的问题之一是热平衡问题，即系统内部热量平衡的问题。

土壤源热泵系统的热平衡问题具体表现为以下几个方面：1. 土壤和地下水温度变化对热交换效果的影响。

无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析摘要：本文利用TRNSYS软件对无锡某采用地源热泵系统的住宅项目进行地下土壤热平衡模拟分析。

模拟运行结果表明：该项目地源热泵工程的热平衡状况良好，符合系统多年稳定运行的条件。

关键词：TRNSYS；地源热泵；热平衡一、工程概况项目地块位于无锡市滨湖区太湖新城板块，观山路和瑞景路交汇处，距中山路-崇安寺商圈约10公里，紧靠无锡新市政府，属于板块中区的生活居住片区，地处板块核心区域，权属明确。

规划用地面积123153.4平米，基地东西长约355m，南北长约370m。

基地地势较平坦，平均黄海高程3.9米左右。

本次计算是针对整个地块建立的模型，囊括了地块内所有采用集中空调及热水系统的楼栋。

二、计算软件及理论本次计算采用的软件版本为TRNSYS_16。

TRNSYS软件中的地埋管换热器模型采用（Duct storage system—DST）中心对称的竖直有限长柱热源模型，基于以下两点假设：1）换热器管群中钻孔均匀布置（忽略钻孔布局形状的影响）；2）钻孔内部是对流换热而外部与土壤之间是导热。

钻孔与土壤之间的热流量大小由流体温度、热交换性能和钻孔周围的土壤温度决定，而温度以及由温差引起的热流沿管道是变化的。

吸收或放出热量的多少将影响土壤综合的传热过程，同时，综合温度场也会对局部传热问题分析产生影响。

假定换热器均匀排列，基于这种对称性，换热器与换热区域也一一对应。

埋管的公共区域面积用表示。

对矩形的钻孔布置而言，钻孔间距为B和，则公共区域面积为：四、系统运行策略天棚辐射系统夏季冷负荷为3134.4KW，冬季热负荷为2076.9KW；新风冷负荷3091KW，新风热负荷1792.6KW，热水设计制热量为760KW。

考虑系统位于夏热冬冷地区，建筑空调全年负荷以冷负荷为主导，故在夏季供冷时，系统的新风冷负荷由新风用冷水机组优先承担，余下不足部分由新风用热泵机组承担。

根据系统负荷和无锡气候特点，系统供冷季设定为5月1日---10月16日，供热季设定为12月15日---3月15日。

【关键字】设计无锡某工程制冷和采暖方案的设计无锡某工程制冷和采暖方案的设计摘要：在传统能源日趋枯竭及环境污染加剧的背景下，地源热泵空调系统以其节能、环保、高效的突出优点受到人们的青睐，具有广阔的应用前景。

该别墅选择地源热泵为空调冷热源, 空调系统的室内部分采用风机盘管加独立新风系统，新风处理到室内等焓线状态，过渡季节只供新风，冬季房间采用地板辐射供暖。

本论文从地源热泵工作原理出发，详细地进行了地源热泵空调系统设计和特点分析，并与普通空调系统进行了经济上和技术上的比较。

地源热泵地下换热器采用U 型竖直埋管地下换热器，冬季房间采用了低温热水地板辐射供暖系统。

关键词：地源热泵系统；别墅；竖直埋管；地板辐射供暖一、选题简介、意义在传统能源日趋枯竭及环境污染加剧的背景下，地源热泵空调系统以其节能、环保、高效的突出优点受到人们的青睐，具有广阔的应用前景。

该别墅选择地源热泵为空调冷热源, 空调系统的室内部分采用风机盘管加独立新风系统，新风处理到室内等焓线状态，过渡季节只供新风，冬季房间采用地板辐射供暖。

本论文从地源热泵工作原理出发，详细地进行了地源热泵空调系统设计和特点分析，并与普通空调系统进行了经济上和技术上的比较。

地源热泵地下换热器采用U 型竖直埋管地下换热器，冬季房间采用了低温热水地板辐射供暖系统。

地源热泵空调系统优点：（1）高效节能：地源热泵机组利用的土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度高。

热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使用冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节能30-40%的运行费用。

投入1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。

（2）环境和经济效益显著：地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉.冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。

地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%,比燃油炉的效率高出75%。

土壤源热泵系统热平衡问题浅析摘要：热泵技术是最有效的建筑节能技术之一，近年来，土壤源热泵以其良好的环境效应和节能效果受到极大关注，但是土壤源热泵在应用时存在着部分地区冷热不平衡的问题，因此，如何克服热平衡弊端，扩大土壤源热泵的适用范围已经成为一项热门课题，本文提出了几种克服土壤热平衡问题的解决方案，为今后的土壤源热泵设计提供参考。

关键词：土壤源热泵；热平衡；复合热源热泵1前言地下一定深度的土壤温度相对稳定，土壤源热泵就是利用土壤相对于空气而言，冬季温度高而夏季温度低的特点，以大地作为热源与建筑物进行热交换，从而达到节能的目的，因此被称为21世纪的“绿色空调技术”。

它不需要任何形式的人工热源，冬季从土壤中提取热量，向建筑物供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季向建筑物提供冷量并将建筑物的排热量释放到土壤中，同时蓄存热量，以备冬用。

土壤源热泵系统要保持长期高效运行，就必须保证土壤的热平衡，即冬夏季从土壤中提取和释放热量的平衡，保证以年为周期时的土壤温度场的稳定。

2土壤源热泵系统土壤热平衡问题原因分析2.1冷热负荷不平衡我国幅员辽阔，各地区气候差异较大，很多地区建筑物全年冷、热负荷差异很大，导致土壤源热泵系统冬季从土壤中提取的热量和夏季释放到土壤中的热量难以平衡，因此，土壤源热泵在应用时若不采取措施，而是直接根据需求量取热和放热用以满足冬夏负荷需求，必然会导致土壤温度偏离其原始温度，即土壤热不平衡现象，导致系统性能下降。

在北方地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，热泵从土壤中提取的热量大于夏季向土壤中释放的热量，导致土壤温度降低，机组蒸发温度降低，系统耗功量增加，供热量减少，热泵的循环性能系数COP降低；在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，热泵向土壤中释放的热量大于冬季从土壤中提取的热量，导致土壤温度升高，机组冷凝温度升高，系统耗功量增加，制冷量减少，热泵的能效比EER降低。

因此，土壤源热泵适用于冬夏冷热负荷相差不大的地区，根据实测和理论计算，一般情况下，建议冬夏向土壤的吸排热量相差不大于20%为好[1]。

地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析马福一刘业凤（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）摘 要通常，地埋管地源热泵年运行的吸排热不平衡，这会导致热堆积，引起系统性能下降。

结合浅层地热资源的性质和地域特性，综合分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来，及其对热泵运行和生态环境的影响，并结合热平衡问题的影响因素提出了解决热平衡问题的技术思路。

关键词地源热泵热平衡地域特性生态环境ANALYSIS OF HEAT BALANCE IN GROUND-SOURCE HEAT PUMPMa Fuyi Liu Yefeng(College of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, P.R.China)Abstract Usually,the annual absorbing and releasing load are always different in Ground-source heat pump running which will lead to heat accumulation, and the heat pump performance will degrade. Based on nature of shallow geothermal resources and regional characteristic, the cause of ground heat imbalance in Ground-source heat pump is analyzed. And heat imbalance impacting on heat pump operation and the ecological environment are also analyzed. Combined with the influencing factors of imbalance, the technical considerations for solving this problem is put forward.Keywords Ground-source heat pump Heat balance Regional characteristic Ecological environment.0 引言地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点[1]。

浅议土壤源热泵系统维持土壤热平衡的可行方法摘要：土壤源热泵系统是一种充分利用较低品位热能的再生能源技术，因其运行费用较低，且可在我国大部分地区建设，是一种兼具高效节能性与环保性的空调系统，在我国应用速度不断加快。

本文首先介绍土壤源热泵系统设计要点，着重分析导致土壤源热泵系统土壤热不平衡的原因，并对此提出了几种维持热平衡的可行方案。

关键词：中央空调；热泵系统；土壤源热泵；土壤热平衡A feasible method for maintaining soil heat balance insoil source heat pump system is briefly discussedHuangHongyan ZhuPengChangsha Gree HVAC Equipment Co．，Ltd.，Changsha，Hunan 410600Abstract:The soil source heat pump system is a kind of renewable energy technology that makes full use of low grade heat energy. Due to its lowoperation cost, it can be built in most areas of China. It is an airconditioning system with high efficiency, energy saving and environmental protection. This paper first introduces the key points of the design of the ground source heat pump system, emphatically analyzes the cause of soil thermal imbalance in the ground source heat pump system, and puts forward severalfeasible schemes to maintain the heat balance.Key words:central air conditioning; Heat pump system; Soil source heat pump; Soil thermal equilibrium热泵空调系统是消耗较少能源将低品位热能转换为高品位热能，以逆循环方式进行热交换的空调系统。

土壤源热泵系统热平衡问题浅析摘要：热泵技术是最有效的建筑节能技术之一，近年来，土壤源热泵以其良好的环境效应和节能效果受到极大关注，但是土壤源热泵在应用时存在着部分地区冷热不平衡的问题，因此，如何克服热平衡弊端，扩大土壤源热泵的适用范围已经成为一项热门课题，本文提出了几种克服土壤热平衡问题的解决方案，为今后的土壤源热泵设计提供参考。

关键词：土壤源热泵热平衡复合热源热泵1前言地下一定深度的土壤温度相对稳定，土壤源热泵就是利用土壤相对于空气而言，冬季温度高而夏季温度低的特点，以大地作为热源与建筑物进行热交换，从而达到节能的目的，因此被称为21世纪的“绿色空调技术”。

它不需要任何形式的人工热源，冬季从土壤中提取热量，向建筑物供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季向建筑物提供冷量并将建筑物的排热量释放到土壤中，同时蓄存热量，以备冬用。

土壤源热泵系统要保持长期高效运行，就必须保证土壤的热平衡，即冬夏季从土壤中提取和释放热量的平衡，保证以年为周期时的土壤温度场的稳定。

2土壤源热泵系统土壤热平衡问题原因分析2.1冷热负荷不平衡我国幅员辽阔，各地区气候差异较大，很多地区建筑物全年冷、热负荷差异很大，导致土壤源热泵系统冬季从土壤中提取的热量和夏季释放到土壤中的热量难以平衡，因此，土壤源热泵在应用时若不采取措施，而是直接根据需求量取热和放热用以满足冬夏负荷需求，必然会导致土壤温度偏离其原始温度，即土壤热不平衡现象，导致系统性能下降。

在北方地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，热泵从土壤中提取的热量大于夏季向土壤中释放的热量，导致土壤温度降低，机组蒸发温度降低，系统耗功量增加，供热量减少，热泵的循环性能系数COP降低；在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，热泵向土壤中释放的热量大于冬季从土壤中提取的热量，导致土壤温度升高，机组冷凝温度升高，系统耗功量增加，制冷量减少，热泵的能效比EER降低。

因此，土壤源热泵适用于冬夏冷热负荷相差不大的地区，根据实测和理论计算，一般情况下，建议冬夏向土壤的吸排热量相差不大于20%为好[1]。

地源热泵系统热平衡分析摘要：地源（土壤源）热泵系统长期运行后会出现一个问题：土壤热不平衡问题，这是一个会严重影响系统高效稳定运行的问题，同时对土壤环境造成影响，基于地源热泵系统土壤热不平衡问题，本文从多角度进行了分析并提出了相应的改善措施。

近年来地源热泵应用的数量和规模在不断增加，该系统主要应用于住宅、写字楼和商场[1]。

地源热泵系统是在土壤中设置U型地埋管群作为系统的换热器，通过管内闭式水循环来进行放热或取热，这样系统在运行过程中不会对地下水和土壤造成污染，所以系统稳定性高，适用的范围较广。

但是该系统在多年的实际工程运行中，普遍出现了土壤热不平衡问题，即在地源热泵系统应用的范围内，系统换热端在运行周期内在土壤中的释热量和吸热量不等，土壤的热不平衡问题会随着运行年数的增长逐渐凸显，从而造成系统运行的效率逐步降低，同时土壤温度的变化对周边环境也有一定的影响，基于上述问题，本文对该问题产生的原因从对角度进行分析并提出的相应改善措施。

一、土壤热不平衡产生的原因地下土壤作为地源热泵系统的冷热源，夏季制冷时将室内热量取出释放到土壤中，冬季又从土壤中取出热量用于室内制热，循环往复这样实现能源的再生利用，因此为了保证系统的高效稳定运行，必须保证全年内地源热泵埋管换热器运行所在区域土壤的热平衡。

但是很多工程应用中地源热泵系统随着运行年数的增加，土壤中形成了热量或冷量的堆积，即土壤热不平衡。

土壤热不平衡造成埋管区域内的土壤温度升高或降低，使之逐渐偏离系统正常运行所需要的温度，从而系统的运行效率和稳定性会大大降低，而且土壤温度变化会在一定程度上对周边的生态环境造成影响[2]，因此必须解决土壤热不平衡这个问题。

根据现有的文献研究[3]，在全年热不平衡率为3%和10%的情况下，系统经过5年运行后，埋管区域内土壤的温度分别增长了0.81℃和2.81℃，可以看出埋管周围土壤温度的变化幅度随着热不平衡率的增加而增加，因此对系统的运行效率影响也增大。