付效东
中石化新星河南新能源开发有限公司 河南郑州
摘要：综述了国内外复合式土壤源热泵系统应用研究的最新进展和研究成果，分析了土壤热平衡问题的形成原因、解决方案，以及目前常用的几种复合土壤源热泵系统的工作原理，对比了不同连接方式的优缺点，并对系统存在的问题提供了相应的解决办法，以及对复合式土壤源热泵未来的发展及研究的方向提出了新的观点。
关键词：复合式土壤源热泵；热平衡；土壤温度；太阳能
1 研究现状
土壤源热泵（Ground-coupled heat pump，GCHP）是利用地下土壤温度全年相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的换热管路和热泵系 统来与建筑物内部进行热交换，从而达到为建筑 物供暖和制冷目的的热交换系统。土壤源热泵因具有良好的节能性和环保性而受到各国研究人员的青睐，在日本、欧美等发达国家已发展得比较成熟。近几年来，在国内也呈现高速发展的态势。但由土壤源热泵的工作原理可知，全年冷热负荷 相当的地区最适合使用土壤源热泵。在夏热冬冷地区，建筑内夏季的冷负荷大于冬季的热负荷，会形成热堆积；在寒冷地区，情况则相反。
为了解决土壤源热泵在实际应用中存在的土壤热平衡问题，通过对土壤源热泵系统深入的研究，出现了复合式土壤源热泵系统。可改善地源热泵系统性能或减少埋管换热器初投资，在常规土壤源热泵系统基础上，再增设辅助冷却或辅助加热设备的土壤源热泵系统本文综述国内外对复合式土壤源热泵系统应用研究的最新进展和研究成果，并对复合式土壤源热泵未来的发展及研究的方向提出新的观点。
2 土壤源热泵系统热平衡问题
2.1 热平衡问题的形成原因
由土壤源热泵的工作原理可知，夏季要不断向土壤排放热量，冬季不断从土壤中取出热量，其应用存在一个最佳适用地域范围，即全年冷热负荷相当的地区。然而，并非所有的地方都是全年冷热负荷相当的地区，某些区域或多或少都会存在冷堆积的情形，这样就会影响土壤源热泵系统的能效。
土壤源热泵竖直埋管的深度一般为90～120m，67%以上的埋管处于恒温层。因地壳传热系数很小，热容量极大，若仅依靠太阳辐射热或地幔的热能传递到恒温层来恢复土壤温度，其温度恢复将需要相当长的时间。
在夏热冬冷地区，建筑的夏季冷负荷远大于冬季热负荷，如果采用土壤源热泵对建筑物进行冷暖联供，夏季向土壤中排放的热量就会远大于冬季从土壤中获取的热量，破坏土壤的热平衡，形成热量堆积。当热泵机组长时间连续运行时，堆积的热量超出土壤自身的热扩散能力，地下土壤的温度场得不到有效地恢复，将会导致土壤源热泵系统换热能力减弱，热泵机组的效率（COP）不断下降。当热量堆积到一定程度时，土壤源热泵系统就可能无法正常制冷。
2.2 热平衡问题的解决办法
根据土壤源热泵热平衡问题形成的原因可知，只依靠土壤自身的恢复，是无法保证土壤源热泵长期、可靠、高效地运行下去。要使土壤达到热平衡，即夏季排热量等于冬季吸热量，使多余的冷量不在地下积累，保证地下土壤年平均温度不发生变化，就必须借助外部热源来解决冷堆积问题。
随着土壤源热泵的发展，出现了采用辅助加热复合土壤源热泵系统。目前，工程应用中比较常用的复合土壤源热泵系统主要为在北方寒冷地区使用的太阳能辅助加热的太阳能—土壤源热泵系统。
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3 复合式土壤源热泵系统研究
3.1 太阳能—土壤源热泵系统
太阳能—土壤源热泵系统是一种利用可再生能源的高效节能、环保型的空调系统。在寒冷地区，冬季热负荷大于夏季冷负荷，单独利用土壤源热泵系统，会造成冬季取热量大于夏季排热量，造成土壤温度逐年降低，影响热泵的运行效率。当单独使用太阳能热泵进行供热时，需要配置很大的集热器面积和水箱容量，使太阳能热泵总体的造价偏高。太阳能—土壤源热泵系统则克服单独利用土壤源热泵系统和太阳能热泵系统能效低等缺陷，提高热泵系统的整体性能。采用太阳能集热器辅助热源供热时，机组的蒸发温度提高，使得热泵机组压缩机的耗电量减少，节省运行费用。在系统设计时，使地源热泵系统可以按照夏季工况进行设计，从而减小地下换热器的容量，降低地源热泵地下埋管部分的投资。
3.1.1 串联式太阳能—土壤源热泵系统
此系统中的太阳能集热器采集到热量并储存于蓄热水箱中，然后蓄热水箱的热水通过板式换热器与机组蒸发器换热，以此提高蒸发器的蒸发温度，从而提高整个热泵系统的COP值。或者，将蓄热水箱的热水直接通入集水器，再进入蒸发器。同时，蓄热水箱可以作为日常所需的生活用水。
在冬天，阳光强度较低，太阳能集热器采集的 热量可能会使蓄热水箱的热水达不到所需要的温度，进而不能满足房间供热的需要。这时，可考虑将蓄热水箱与热泵串联，通过集水器与室外侧换热器（蒸发器）换热，作为提高土壤源热泵蒸发器蒸发温度的辅助热源。随着蒸发器入口水温的升高，系统COP值增加迅速，远高于单独的太阳能或土壤源热泵系统。串联系统可以将热量传给土壤，有利于土壤温度场恢复，改善冷堆积引起的系统性能降低的问题，同时使建筑物冷热联供的运行成本大大降低。
3.1.2 并联式太阳能—土壤源热泵系统
该系统实际上是由常规的土壤源热泵系统和太阳能系统并联组成的，将土壤源热泵系统和太阳能系统交替使用。当太阳能供热系统中集热器内水的温度较低，不能满足建筑物需求（如阴天或夜间）时，则可采用土壤源热泵系统供热。当太阳能集热器内水的温度较高时，可将集热器的热量转移到地下贮存，这样可以较快地恢复土壤的温度场，同时，还可提高集热效率。并联系统主要用于地下土壤温度高于15℃的地区，太阳能只起辅助作用，土壤源热泵系统是以地下土壤为冷热源的储存体，夏天蓄热冬天取热，即夏热冬用、冬冷夏用。太阳能集热器所采集的热量可直接进入空调房间供暖，也可将其中一部分作为日常生活热水。
并联系统的特点就是不能互补或替换，总能量为太阳能和土壤源热泵系统能量的总和，两个热泵系统相对独立。虽然并联系统没有将太阳能集热器采集的热量转移到土壤进行储存，但是它通过将太阳能集热器采集的热量直接供给建筑物，减少了从土壤中的取热量，也减少了冷堆积的问题，从而改善换热器的取热环境，提高系统运行性能。
3.1.3 混联式太阳能—土壤源热泵系统
混联系统要比串联系统和并联系统复杂得多，设备的初投资会较大，成本回收周期会相对较长，同时对运行时的控制策略要求就更高。但混联式系统可在夏季和冬季提供生活热水，除了具有串联系统和并联系统的所有优点之外，设备利用率也会更高，在控制策略适当的情况下，节能效果相比较串联系统和并联系统更加明显。同时，也使得混联系统的运行方式更加灵活，可以适应比较复杂气候条件的变化，适应能力更强。
4 结 语
本文中综述了国内外复合式土壤源热泵系统应用研究的最新进展和研究成果。分析了土壤热平衡问题形成原因及解决办法，并对目前常用的几种不同类型的复合式土壤源热泵的工作原理、运行策略、优缺点、存在的问题及解决办法等进行了详细的对比分析和研究。根据目前的研究进展，对复合式土壤源热泵未来的发展及研究的方向提出了新的观点和建议。
总之，复合式土壤源热泵作为新型节能空调系统能够有效地解决土壤热平衡问题，与传统土壤源热泵相比，具有更好的节能效果，其研究意义重大，应用前景相当广阔。
论文作者:付效东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年16期
论文发表时间:2019/11/7
标签：土壤论文; 源热泵论文; 系统论文; 太阳能论文; 热量论文; 蓄热论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2019年16期论文;