□文/张巧麟 王 砚 李 君

天津市地热资源丰富，属于浅层地热能适宜利用区域。浅层土壤源埋管是浅层地热能应用的一种形式，具有四季温度恒定、适中的特点。地源热泵系统依靠土壤源埋管从地下土壤中提取能量，虽然热泵机组的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤，但土壤源埋管夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量并不一致，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初始温度并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降，这就是热失衡问题[1]。

土壤源埋管的热失衡导致土壤温度变化，不仅影响系统效率和性能，还影响地源热泵的稳定性和安全性。长期的热失衡会导致土壤温度越来越高，最终再也无法从土壤中提取任何能量并且影响土壤的生态环境。热失衡问题的解决方法是减小土壤源埋管换热器的密集度和冷热负荷的不平衡率，即合理配置土壤源埋管数量及布局并通过设置调峰冷热源保证系统的安全可靠性。

1 浅层土壤源埋管的配置

天津市某大型集中能源项目采用浅层土壤源埋管为主要冷热源，复合以冰蓄冷三工况系统为建筑供冷、供热，总服务面积约为20万m2。综合考虑绿色建筑要求及项目安全性和经济性，技术方案确定为带有冷热调峰复合以冰蓄冷技术的地源热泵系统。

根据负荷分析，年冷量为14 500 MW·h/a，供热量为15 900 MW·h/a。埋管既要保证充分利用土壤资源，紧凑布置；又要防止埋管间的热干扰，采用5 m×5 m间距矩形布置方案，埋管形式采用双U型垂直埋管，深度为120 m。由于浅层地能属于可再生能源，因此应最大化利用，总埋管数量为1 993口。

室外埋管采用垂直土壤换热器+水平集管+分、集水器的连接方式，即若干个垂直土壤换热器经同程布置得水平集管连接后分别接至分、集水器，经分、集水器汇流后通过水平干管接至能源站，水平干管异程布置。

2 配置调峰冷热源的必要性

根据土壤热平衡性分析，土壤侧排热量为17 624 MW·h/a，取热量为2 140 MW·h/a。土壤侧存在热不平衡现象，排热量大于取热量，热调峰时不平衡率为31.1%。因此适度引入冷热调峰设施，对系统包容负担建筑的未知因素及对地温调节的及时反应性均是十分必要的。

通常将在地源热泵系统中起辅助供热作用的装置称为调峰热源。浅层地能排热量大于取热量，从土壤热平衡角度来说并不需要热调峰能源。但是从系统包容性来说，浅层地能负担的公共建筑负荷规律变化大，其冷热需求的不确定性较大，设置调峰热源将使系统具有更好的适应性与灵活性。对于冬季地源侧5℃/8℃的参数，常规地源热泵机组的供水参数一般为45℃，鉴于原单体设计供水温度45℃，能源站与单体建筑为间接连接，势必需要提高能源站供热参数，故设置调峰热源是必须的。

通常将在地源热泵系统中起辅助排热作用的装置称为调峰冷源。本项目浅层地热能土壤热平衡分析中系统排热量大于系统取热量，土壤热不平衡达到31.1%。因此，必须设置调峰冷源以弥补土壤热不平衡现象。

3 调峰热源的分析及设置

调峰热源装置从弥补因浅层地能放热能力不足而导致的系统供热能力不足的角度，所起的是调峰作用；从实现地源热泵系统地源侧季节（年）热平衡的角度，所起的是辅助作用。

适合本项目的调峰热源有市政热网、燃气热水机组及深层地热。由于能源站距地铁直线距离不足100 m，为避免深井的施工、运行对地铁运营造成影响，故深层地热方案不被接受。相对于市政热网的收费模式，燃气热水机组是一种经济性更好的调峰热源形式。因此本项目确定采用真空燃气热水机组作为调峰热源，调峰热负荷比例为25%。

4 调峰冷源的分析及设置

调峰冷源装置从弥补浅层地能吸热能力不足的角度，所起的是调峰作用；从实现地源热泵系统地源侧季节（年）热平衡的角度，所起的是辅助作用。

本项目空调制冷系统的非土壤渠道排热方式有，冷却塔、浅层地下水两种形式，而天津地区针对浅层地下水资源的开采严格限制且仅将其作为排热用，代价过大。由于采用冷却塔作为调峰冷源的技术可靠、经济性好，因此确定冷却塔为本项目的调峰冷源。尽管存在景观处理问题，但因其仅起辅助作用，容量较小，通过恰当的设置方式（如采用下沉式安装方式）可以将其对景观的影响降至最低。见图1。

图1 采用下沉式安装方式的冷却塔

5 结论

在考虑了系统安全性、包容性及对浅层地能的影响等因素后，辅助以冷却塔作为冷调峰，真空燃气热水机组作为热调峰是完全适合本项目的。在大规模应用浅层土壤源埋管规划之初，应该对土壤热物理性进行检测，根据土壤特性及负荷需求进行埋管的配置并根据项目规划条件及周边资源情况配置与项目相适用的调峰冷热源。

系统设计前应对拟建项目进行全年动态负荷预测及土壤温度场的数据模拟，有必要的情况下进行热响应试验，掌握负荷特性及取放热量分布情况，再进行项目设计工作。

采用复合式系统是解决土壤热失衡问题的途径，根据系统构成制定地埋管的全年取放热平衡方案，有助于从根本上减少土壤热失衡现象，设置有效的土壤温度监测系统和相应的调节控制系统是实现这一措施的关键[1]。

在埋管区域中设置地温监测系统，实时监测供能过程中地温变化情况及过渡季的地温恢复情况，一旦温度发生很大变化，应该启用辅助调峰设备进行热平衡。

除了在设计阶段解决热失衡问题，还应当更加注重和加强对土壤源埋管系统运行管理的把控。不科学、不合理的运行管理会引起或放大土壤冬夏季取放热量的不平衡率，导致设计时采取的热平衡措施失效。对大规模应用土壤源埋管的系统，要做好系统的监控及计量工作，根据累积的运行数据及负荷预测，制定全年的运行模式，以减少不必要的系统效率下降。