摘要：综述了土壤源热泵的类型和应用。分析了土壤源热泵在长三角地区应用中存在的问题及原因，从技术和政策方面提出对策。
关键词：土壤源热泵；长三角地区；土壤热平衡；应用分析
Abstract：The types and application of ground-source heat pump are reviewed.The problems and reasons for application of ground-source heat pump in Yangtze River Delta region are analyzed，and some countermeasures in technology and policy are proposed.
Key words：ground-source heat pump；Yangtze River Delta region；soil thermal balance；application analysis
土壤源热泵是随着全球能源紧张，环境问题与经济快速发展矛盾日益突出而逐渐发展起来的一种热泵技术[1]。土壤源热泵利用土壤作为热源热汇，具有工作环境稳定、环保等特点，因此有广泛的应用前景[2～4]。国内较早的土壤源热泵工程是中美合作1987年开始筹建的上海闵行经济技术开发区办公楼空调系统工程。常青[5]基于寿命周期，分析得出杭州、上海等长三角地区适用土壤源热泵，但应采取相应措施促进土壤源热泵的适应性及长期运行性能。随着土壤源热泵在长三角地区的推广，应用项目的增多，也逐渐暴露出在设计、施工和使用过程中存在的问题。本文对土壤源热泵在长三角地区的应用进行分析。
1 土壤源热泵的类型
① 单独式土壤源热泵
单独式土壤源热泵系统流程见图1。地埋管换热器可分为水平式、竖直式，工程中一般采用竖直式。它是由安装在钻孔中的U形管组成，通过传热介质(通常为水或加入防冻液的水)在地埋管换热器的封闭环路中循环流动，实现与土壤换热。热泵机组通过消耗一部分高品位能源(电能)，实现低位热能向高位热能的转移。
② 热回收式土壤源热泵
热回收式土壤源热泵是为了解决土壤取排热不平衡提出的技术，系统流程见图2。在压缩机出口增加换热器3，无论冬夏季都可以提供生活热水。夏季，压缩机出口的高温高压制冷剂蒸气，先经过换热器3与蓄热水箱换热，再经过四通阀进入换热器1，通过地埋管换热器把热量排放到土壤中，这样可适当降低夏季向土壤的排热量。冬季，地埋管换热器从土壤中获得的热量同时满足供暖和生活热水要求。热回收式土壤源热泵在夏季可减少向土壤的排热量，冬季增加从土壤中提取的热量，实现全年土壤取排热的基本平衡。
③ 复合式土壤源热泵
复合式土壤源热泵在单独式土壤源热泵基础上，设置了辅助散热或加热装置。目前，比较常见的复合式土壤源热泵有两种形式：一种是带有冷却塔辅助散热的冷却塔-土壤源热泵(见图3)；另一种是带有太阳能集热器辅助加热的太阳能-土壤源热泵(见图4)[6]。
研究表明，对于冷却塔-土壤源热泵，地埋管换热器与冷却塔的连接方式以并联为佳[7～8]。冬季，冷却塔不运行，按照单独式地源热泵模式运行；夏季，经热泵机组冷凝器的高温传热介质分别通过冷却塔、地埋管换热器降温后进入冷凝器。冷却塔分担了部分负荷，降低了夏季向土壤中排放的热量，有助于冬夏季土壤热平衡。对于只有供暖或生活热水要求的建筑物，可采用太阳能-土壤源热泵。该热泵系统优先利用太阳能，夏季可通过太阳能集热器对土壤排热，保持冬夏季土壤热平衡。
2 土壤源热泵的应用
王鹏英[9]分析了土壤源热泵空调系统在上海地区某别墅建筑中应用的可行性，提出土壤源热泵优于空气源热泵，是别墅类建筑的理想选择。上海第一个生态办公区——浦江智谷商务园，总建筑面积为13.8×104m2，采用了土壤源热泵，该工程钻孔数量共计1360个，内径为130mm，深度为100m，每个钻孔埋设一个单U形管[10]。总建筑面积约24.8×104m2的世博轴及地下综合体，采用江水源热泵+土壤源热泵，江水源热泵承担67%的负荷，土壤源热泵承担33%的负荷。土壤源热泵根据项目所在地的岩土热物性试验结果，因地制宜地利用了6000根建筑桩基布置地埋管，这一技术是创新性地将建筑桩基与空调系统结合起来，降低了工程造价，节省了土地资源[11]。
土壤源热泵在铁路领域的应用也逐渐增多，且规模越来越大[12]。盐城火车站站房总空调面积为5300m2，地埋管换热器采用竖直式，夏季采用空气-水系统、全空气系统，冬季考虑站房大空间制热效果和舒适度，采用热水地板辐射供暖系统，热泵机组产生的热水直接送入地板下的盘管[13]。上海虹桥站特大型铁路车站采用了土壤源热泵，并首次采用站台下埋管方式，钻孔数量为1960个，深度为90m，采用U形管，占地面积约39200m2。热泵系统采用间歇运行，必要时采用辅助冷热源，保证热泵系统工作的高效率、可靠性[14]。
土壤源热泵在温室和生物质能利用中也有应用。农业温室能耗较高，一直是亟待解决的问题[15]。传统的温室耗能大，效率低，易造成大气污染。土壤源热泵以土壤为热源，只需要消耗少量的高品位能源。此外，地埋管换热器在地下运行，减小了对地面的热、噪声污染。因此，土壤源热泵是一项理想的绿色技术，符合农业可持续发展的要求。
冬季低温工况满负荷产气，是沼气工程产业化的关键。常见的沼气池加热方式包括电热膜加热、太阳能加热、化石燃料热水锅炉加热等多种方式。石惠娴等人[16]基于各种常见沼气池加热方式的特点，针对中等规模养殖场沼气工程尚没有比较经济合理、节能环保的加热方式，成功开发应用了土壤源热泵式沼气池加热系统。
土壤源热泵技术在水电站、游泳池、干燥等领域也有应用研究[17～18]。在我国十二五能源政策的引领下，未来在长三角地区的应用前景将更广阔。
3 存在的主要问题与原因
3.1 存在的问题[19～21]
① 热舒适性差
热舒适性差是土壤源热泵在建筑空调领域应用中面临的重要问题，主要表现为热泵系统没有足够的供冷供热能力满足建筑物冷热负荷的需求。
② 传热介质的泄漏
土壤源热泵关键设备为地埋管换热器，包括地埋管、循环泵、阀门及其他辅助部件。地埋管换热器的损坏易导致传热介质的泄漏。
③ 系统造价、运行费用偏高
土壤源热泵系统造价较高，与技术成熟的空气源热泵和燃煤供热技术相比最大的竞争力就是节能、环保、运行费用低。然而，对土壤源热泵项目的调查研究表明，实际运行费用高于预计运行费用。这就大大影响土壤源热泵技术的市场规模与推广。
④ 认知度不高、市场规模小
由于我国可再生能源利用处于起步阶段，因此社会各方面缺乏对土壤源热泵技术推广应用的紧迫感、积极性。另外，传统能源的应用方式也在进行技术改造，扩大规模，形成了与土壤源热泵技术的竞争。土壤源热泵的技术优势未能被全面认识，甚至出现了政府热、市场冷的局面。
3.2 主要原因
① 缺乏对土壤源热泵的适用性分析
土壤源热泵的适用性主要取决于项目所在地的地质条件、土壤温度、建筑冷热负荷、现场是否具备敷设地埋管的土地面积。适中的土壤温度、较小且稳定的冷热负荷、少岩石和地下水流动性好的地质条件是利用土壤源热泵的前提。
长三角地区土壤温度常年稳定在15～20℃，土壤含水率高，流动性好，钻孔难度不大。因此，土壤源热泵在长三角地区的适用性分析主要集中在建筑冷热负荷以及敷设地埋管的土地面积。热泵机组的性能与土壤温度变化、地埋管布置有密切关系，并不是所有的建筑空调系统都适用土壤源热泵。对于有洁净要求(新风负荷大)、高除湿要求、较低空调温度要求的高负荷建筑物以及空调系统使用随机性高的领域采用土壤源热泵是不经济的，较多的地埋管布置起来困难，较少的地埋管又不能满足负荷要求。如苏州运行3年的某办公楼土壤源热泵，由于设计不当，建筑实际冷负荷大于设计值，敷设的地埋管数量不足，夏季高温天气时，热泵机组制冷性能系数大幅下降。
② 忽略土壤冬夏季热平衡的重要性
地埋管换热器本质上是季节性蓄热装置，冬季为夏季蓄存冷量，夏季为冬季蓄存热量。长三角地区夏热冬冷，对于一般民用建筑，最大热负荷为最大冷负荷的50%～80%，且夏季空调系统运行时间长，冬季运行时间短，往往造成地埋管换热器每年向土壤排放的热量远高于从土壤吸收的热量。以浙江宁波某办公建筑为例，总建筑面积为2.2×104m2，最大冷负荷为2 400kW，最大热负荷为1800kW，夏季向土壤排热量为4 480×106kJ，冬季从土壤吸收热量为980×106kJ，排热量为吸热量的4.6倍。
若土壤冬夏季热平衡处理不当，往往导致夏季空调系统出现以下情况：夏季运行能耗的增加大于冬季运行功耗的减少，全年运行总功耗增加；空调系统供水温度上升，末端设备制冷和除湿能力下降；地埋管换热器传热介质温度上升，机组在不利工况下运行，影响寿命，甚至超出机组的允许工作温度范围，使机组停机。
对于土壤源热泵在沼气池、游泳池、干燥领域的应用，热泵系统仅从土壤吸热，而不采取有效措施向土壤补充热量，长期运行易导致土壤温度降低，制热性能系数下降。一般情况下，土壤温度降低1℃，单位制热量的能耗增加3%～4%。一些未考虑土壤冬夏季平衡的热泵工程，一般前两年还能满足室内温度要求，随着时间的推移，效果越来越差。
③ 工程施工质量较差
在土壤源热泵工程施工过程中，钻孔及回填是重要环节。不同地质结构应采用相应的效率较高的钻孔设备、方法，这样不仅可有效控制钻孔质量，还可以提高钻孔效率。回填材料介于地埋管与钻孔壁之间，是岩土体与U形管间换热的桥梁，用来增强地埋管与周围岩土体的换热，并防止地表水污染地下水。优质回填材料可防止岩土体冻结、收缩、板结等，提高地埋管的换热效率。
地埋管敷设属于地下隐蔽工程，设计寿命一般情况下不低于50年。但目前尚未对土壤源热泵施工单位建立完善的资质审核制度，施工队伍技术水平良莠不齐，难以保证施工质量。
④ 运行控制不合理
对于单独式土壤源热泵，长时间连续运行会导致系统性能下降，而采用一定的运行机制，保证热泵系统间歇运行，有助于保持土壤冬夏季热平衡，提高热泵系统的能效。对于复合式地源热泵，控制地埋管换热器与辅助加热或散热设备按一定的机制运行，可最大限度利用岩土体的蓄、放热特性，使地埋管换热器始终能够进行高效换热并延长其使用寿命。
然而，在土壤源热泵的运行过程中，操作人员往往不能严格按照操作规程进行操作。在一些大型建筑空调系统工程和只有供热要求的建筑中，通常采用复合式土壤源热泵，并配有辅助热源或冷源，操作人员不能及时准确地控制辅助冷热源的启停，将影响土壤冬夏季热平衡与整体运行效果。
⑤ 相关能源政策与监管不到位
虽然政府在推动土壤源热泵技术方面付出了努力，但相关的政策支持和财政补贴措施仍显薄弱，并且存在管理、归口部门不明晰等问题。由于目前相关的管理措施和技术手段缺乏，没有相应市场准入机制制约施工单位，主管部门监管不力，在项目实施中引发了较多问题。对于已经完工正常运转的项目也缺乏相应的监督评估机制，土壤源热泵对生态环境影响的分析与监督意识薄弱，某些传热介质、填料易造成地下水、土壤、地表植被的污染或破坏，如何防范还有待深入研究。
4 对策
① 对策1
分析项目的适用性，做好勘察设计工作。分析项目的适用性，在长三角地区土壤温度比较适宜，地质较理想，决定土壤源热泵适用性的关键因素为冷热负荷与敷设地埋管的土地面积。在保证充足土地面积的前提下，冷热负荷将成为影响热泵机组的运行特性和地埋管换热器工作性能的关键，应采用动态负荷计算软件分析建筑物全年逐时负荷。
地下埋管换热器是土壤源热泵设计的核心部分，设计合理与否直接影响热泵系统的运行效果及系统造价。土壤的初始温度、类型、传热特性以及密度、湿度等参数是影响地埋管换热器设计的重要参数，因此应做好施工区域的岩土勘察和土壤热物性测试工作。
② 对策2
优化系统设计，综合利用可再生能源。对于长三角地区的土壤源热泵工程，普遍存在土壤取排热不平衡问题，应具体问题具体分析，根据不同的工程优化土壤源热泵。在建筑空调应用领域，对于空调面积在5000m2以内的建筑，优先采用热回收式土壤源热泵；对于5000m2以上的建筑，当热回收式土壤源热泵不能满足要求时，可采用冷却塔-土壤源热泵。在沼气池加热、游泳池加热、温室供暖方面，可采用太阳能-土壤源热泵，适当利用太阳能，减小热泵机组、循环泵等设备容量，并有利于土壤冬夏季热平衡。
③ 对策3
加强培训，严格审批，综合评价。通过专业技术学会搭建技术创新和服务平台，加强对勘察、设计、监理、施工和房地产开发、燃煤供热、热泵设备生产企业等单位从业人员的业务培训，定期举办土壤源热泵供热运行管理人员培训班。严格依据国家、地方的相关法律法规和管理办法，实施土壤源热泵项目申报审批制度，加强设计、施工、监理、验收等各环节的审查和管理工作，科学推进土壤源热泵的建设。
建立土壤源热泵系统测试评价制度，编制地方评价标准。对于投入运行的项目运行进行监测，进而能够准确地分析土壤源热泵的经济性、环保性、安全性以及节能性，综合评价其应用潜力。
④ 对策4
出台政策，重点扶持，加强宣传。从产业政策、城市规划、能源建设等方面统筹协调，给土壤源热泵技术发展以有力支持。在建设项目方面，结合节能减排、绿色建筑技术的推行，制定相应鼓励、支持土壤源热泵技术发展的优惠政策。可以借鉴山西、重庆、沈阳、宁波等地的经验，设立可再生能源建筑应用专项资金和示范工程奖励资金，研究建立市政配套费、水资源费征收等方面的优惠政策，重点扶持发展土壤源热泵应用示范工程。加强土壤源热泵技术的宣传力度，普及土壤源热泵的基础知识，使公众充分认识到土壤源热泵技术在可再生能源利用中的重要作用。
5 结语
长三角地区比较适合采用土壤源热泵，其应用已经扩展到建筑、铁路、温室、生物质能源、游泳池、干燥等领域。根据气候与应用领域的负荷特点，土壤源热泵系统也在发展与完善，但公众对土壤源热泵技术优势认识不足，加之已经运行的工程项目出现系统造价、运行费用偏高、舒适性差等问题，导致土壤源热泵技术市场规模小，推广应用困难。因此应加强对土壤源热泵技术的宣传，制定相应政策，完善设计、施工标准。
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(本文作者：赵微 吕伟 吕宗虎 同济大学建筑设计研究院上海 200090)
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