随着人类的文明、社会的进步、科技的发展以及对住房的需求，房屋建设正在如火如荼的建设当中，而以牺牲环境、生态和可持续发展为代价的传统建筑和房地产业已经走到了尽头。发展绿色建筑的过程本质上是一个生态文明建设和学习实践科学发展观的过程。其目的和作用在于实现与促进人、建筑和自然三者之间高度的和谐统一；经济效益、社会效益和环境效益三者之间充分的协调一致；国民经济、人类社会和生态环境又好又快地可持续发展。作为绿色建筑的重要组成部分，地源热泵系统的应用也越来越广泛，而其运行情况的好坏已经重要影响着整个建筑的节能情况。

地源热泵系统目前存在的问题

全国已经有多个数十万平米的土壤源热泵项目开始运行。这些密集型垂直埋管的方式虽然能较好的适应中国地少人多的国情，但是也带来了技术上的隐患：土壤换热器布置范围内的土壤能否持续保持热平衡，已经引起了各方面对此技术长期运行效果越来越多的担心。

土壤源热泵依靠土壤换热器（ground heat exchanger）从地下土壤中提取温差能，虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤温差，但由于建筑物冬夏空调负荷以及运行的时间不一致，导致在空调运行期间土壤换热器系统夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量一般并不一致，这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成其温度不断偏离其初始温度，并导致土壤换热器系统内循环水的温度随之变化以及系统运行效率逐年下降。

土壤源热泵周期运行后土壤温度出现上升和下降是土壤热量收支失衡的两种后果，都对系统持续稳定运行不利。如果土壤源热泵系统承担全部空调负荷，大多数情况下其全年从土壤的取放热量是不平衡的，在我国的长三角地区（即夏热冬冷地区，夏季累积冷负荷比冬季累积热负荷大的多），如图1，表现为散热量多余取热量，这主要是由于供冷季、供暖季持续时间和负荷强度有明显差异，而且夏季土壤还要承担制冷机组和水泵等设备散热造成的，因此势必造成埋管区域，在系统长年运行之后造成“热堆积”现象。

图1土壤温度呈持续上升趋势（长三角地区）

长三角地区，建筑物夏季供冷的时间要比冬天供暖的时间长约1个月，供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1倍，越在供冷为主的地区这种差异越大。这样系统运行多年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升，严重时可以造成夏季高峰负荷期土壤换热器内循环冷却水温达40℃以上，引起热泵机组的制冷效率严重降低。

图2、图3所示为常州某办公楼地源热泵系统投入运行第三年以后，夏季冷却水供回水水温、热泵机组效率COP的变化情况[3]。可见，投入运行后，一天内系统的冷却水出水温升高达6℃，即冷却水出口水温由37℃达到43℃，这将使得热泵机组的效率急剧下降，COP值从3.66下降到3.14，下降福大高达 13.9%。可见，如果多余的热量无法得到有效排放，地源热泵系统长期运行，热堆积现象将越来越严重，违背了采用地源热泵系统节能的初衷，甚至将导致热泵机组无法正常运转。

图2常州某办公楼土壤源热泵系统的夏季冷却水温实测

图3常州某办公楼土壤源热泵系统的夏季 COP实测

解决土壤热平衡问题的措施

土壤热平衡问题虽然是土壤源热泵系统的隐患，但重在事前解决，完全可以通过事先系统的合理设计、优良的施工质量以及规范化的运行管理进行规避。

具体可采用以下技术手段缓解土壤热平衡问题：

1）将土壤换热器与热泵机组对应设置成多个回路轮流使用，在部分负荷时优先使用土壤换热器布置的周边回路，以延长土壤换热器的温度自然恢复时间，避免中心局部过热。

2）对冬夏季节土壤热负荷差异较大的项目可以通过设置辅助冷却系统调峰、采用热泵机组热回收技术减少夏季排热等措施，以抵消多余的负荷，解决热平衡问题。

3）在土壤换热器布置场地中心位置布置温度传感器对空调季土壤温度变化进行实时检测，当土壤温升超过规定数值后，启动调峰系统运行。

以上技术手段的前提是需要针对实施的项目进行有针对性的建筑空调动态负荷计算，对建筑动态负荷特性进行准确的预测，分析冬夏季节的冷热不平衡率，然后根据现场条件分析合适的技术组合消除冷热不平衡。

对于土壤的冷热不平衡现象采用以下两种措施：一、采用全热回收热泵机组；二、采用冷却塔辅助冷却。当采用全热回收热泵机组时，可采用如下的优化处理方法解决系统的热平衡问题：

1、系统按照满足冬季空调负荷和生活热水负荷设计地埋管换热器，冬季空调热负荷和生活热水负荷全部由地埋管承担，系统从土壤提取热量；

2、在短暂的过渡季节，生活热水需求由地埋管承担，系统从土壤提取热量；

3、在夏季，由于同时有生活热水需要和空调供冷需要，因此优先启用全热回收机组承担热水需求和空调供冷需求。在满足热水，并且夏季冷负荷不大的情况下，系统无需向土壤提取或释放热量；

4、在夏季空调冷负荷较大时，由大型热泵机组承担冷负荷，该部分的冷源由土壤承担，同时启用热回收机组满足热水需求和剩余空调冷负荷需求。由于夏季的热水需求将远远低于冬季，在使用热回收机组制取足够热水的同时，还考虑了使用冷却塔来承担夏季尖峰时节的冷负荷，以缓解土壤热不平衡。

结论

（1）本文分析了地源热泵系统土壤热平衡问题的根源：由于建筑所处地区气候环境的不同，将会导致建筑的冷热负荷不相等，从而向土壤取热和排热存在差异，土壤热平衡出现问题。

（2）通过对常州某办公建筑土壤源热泵系统夏季工况下冷却水进出口温度及机组COP的测量指出：如果不采取有效措施，“热堆积”问题将会导致土壤温度逐年上升，使得地源热泵系统机组效率下降严重，对机组的正常运行造成影响，违背节能的初衷。

（3）采用复合式系统是解决土壤热平衡问题的较好途径，根据系统构成制定土壤换热器的全年取放热平衡方案有助于从根本上减小出现土壤热失衡，而设置有效的土壤温度检测系统和相应的调节控制系统是实现这一措施的关键。在夏热冬冷地区，采用全热回收热泵机组或采用冷却塔辅助冷却是解决“热堆积”现象的有效手段。

（4）应当注重和加强对于土壤源热泵系统运行管理。土壤源热泵系统运行管理不善会引起甚至放大土壤冬夏取放热量的不平衡率，而且可能使系统设计时所采取的热平衡措施失效。对于较大的土壤源热泵系统应制定具体的全年运行模式和规范化运行管理规定，并对操作人员进行相关培训，以减少不必要的系统效率下降。