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建筑与预算CONSTRUCTION AND BUDGET2019年第7期DOI:10.13993/ki.jzyys.2019.07.017收稿日期：2019-02-11作者简介：潘欣（1993-），女，硕士，主要从事建筑节能方向研究。
E-mail：1462004347@中图分类号：TK122文献标志码：B文章编号：1673-0402（2019）07-0059-031土壤源热泵的概念土壤源热泵系统在日常生活中使用广泛，从能量角度理解，它是由三种能量系统组成。
首先是位于地下的埋管换热器进行热量的收集，也就是热量采集系统；第二部分是把从地下土壤中获得的热量进行提升，期间消耗少量的高品位能量电能，这种系统叫做能量提升系统；第三种系统是把经过消耗电能得到的能量进行释放，冬季时向室内供暖以提高室内温度，这种能量提升系统称作能量释放系统。
地源热泵就是由这三种能量系统组成。
冬季室内与室外温度相比，室内温度高，室外温度低，地下土壤的温度要高于室外气候温度，此时地源热泵系统从土壤中吸收热量在制热工况下工作，向室内供暖；夏季地源热泵处于制冷工况，同时把室内热量排到地下。
图1热泵工作原理示意图2模型的建立2.1模型假设模型的建立应该考虑实际工程情况，因此实际工程中应用的尺寸、条件、工况等都需要在建立模型时考虑进去。
埋管换热器位于地下，因此埋管换热器的形状、地下的结构也需要考虑进去。
以下是模型的假设条件:土壤源热泵夏季工况下运行温度场分析潘欣，刘冰红（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）摘要：地源热泵技术广泛应用在工业产业和日常活动中，地球不可再生能源日益短缺，地源热泵技术的作用也变得越来越重要。
地埋管换热器作为土壤源热泵系统的重要组成部分，其换热效果对热泵运行效率有着非常关键的作用。
本文根据地源热泵系统夏季工况运行对周围土壤温度产生的影响，研究埋管周围土壤的温度场变化。
对夏季土壤温度场用FLUENT 模拟软件进行分析，地埋管周围土壤在地下2m 处和地下30m 处会有明显的不同。
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]。
例析地源热泵项目地下热不平衡影响的定量评估1 地下热平衡校核在笔者参与设计的某奥运村幼儿园能源系统中，地源热泵是冬季太阳能供暖系统的辅助热源、夏季复合蓄冷系统的主要冷源，地源热水器是生活热水的辅助热源，常年运行制热工况。
在夏季，当热泵制冷、热水器制热同时运行时，因地下埋管换热器共用，故成为一个水环热回收地源热泵系统（简称水环地源热泵），如图1.所示。
采用热回收方式，不仅可同时提高地源热泵和地源热水器的运行效率，还可使地源热水器成为地源热泵地下热平衡的技术措施之一。
从表中可以看出，由于采用了太阳能热水系统和跨季节蓄冷系统，水环地源热泵的负荷性质发生了变化，从原来取热量大于排热量转化为排热量大于取热量，即系统运行的整体效果是每年向土壤排入46，000 kWh的热量，地下热平衡不能得到保证。
为实现土壤的热平衡，在本能源系统中需减少向地下的排热量或增大自地下的取热量。
对于前者而言，当跨季节蓄冰系统容量确定后，可采取增加冷却塔的方式辅助散热；而后者则可调整热水系统的运行模式，通过减少太阳能热水系统的有效供热量，来增大地源热泵（制热）和热水器的运行时间，从而达到地下热平衡，但这样将造成太阳能热量的大量浪费，有违太阳能热水系统优化的可再生能源利用原则。
地源热泵向地下的排热量大于其取热量，多余的热量会在地下积累，引起地下年平均温度的升高。
由于地表作为地下热量的散热边界，有助于地下多余热量的散出，待时间足够长以后，每年多余的熱量就可通过地表散出，使地下达到新的热平衡状态，此后地源热泵系统将运行在这个基本稳定的“高温”工况。
所以本节将考察地源热泵在热不平衡条件下，长期运行后对地下温度的影响大小，如果地温重新稳定后的升温幅度较小，系统仍能在正常高效运行，则可以忽略热不平衡所带来的影响；否则，将必须在能源系统设计与控制中采取措施，以实现地下土壤的热平衡。
2 地下热不平衡影响评估为得到系统运行后地下温度的变化规律，需对地热埋管换热器进行详细的传热分析，其基础为单个钻孔的传热分析，对于多个钻孔的情况可在单个钻孔分析的基础上采用叠加原理进行分析处理。
土壤源热泵研究现状分析目前我国南方地区空调系统主要用空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高；而冬季供热负荷越大时对应的蒸发温度越低，为此增加了大量能耗。
根据热力学原理，若降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约能源。
为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源，无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。
与地面上环境空气相比，地下5米以下全年土壤温度稳定且约等于（略高于）年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。
所以从原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。
已有的研究表明土壤热源热泵主要优点有:节能效果明显，可比空气源热泵系统节能约20%[1]；埋地换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有较好的蓄热性能，可与太阳能联用改善冬季运行条件；埋地换热器在地下静态的吸放热，减小了空调系统对地面空气的热及噪音的污染。
所以若能用土壤热源热泵部分取代空气源热泵，则必然节约能源并有可能形成新的空调产品系列。
从目前已有的使用情况分析，它的主要缺点是：埋地换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率仅为20－40Wm-2，一般吸热速率为25 Wm-2[2]，导致埋地换热器的面积较大，如平面布置的埋地换热器的面积约为房间面积的2倍左右。
尽管土壤热源存在以上不足，但World Energy Conference, International Energy Agency, International Institute of Refrigeration等国际著名组织及从事热泵的研究者都普遍认为,在目前和将来土壤热源热泵是最有前途的节能装置和系统，是国际空调和制冷行业前沿课题之一，也是地热利用的重要形式。
