土壤熱失衡是土壤源熱泵在冷熱負(fù)荷非平衡地區(qū)應(yīng)用中出現(xiàn)的一種常見問題，是影響其長期高效穩(wěn)定運行及正確推廣與健康發(fā)展的關(guān)鍵。本文在闡述土壤熱失衡概念、由來及其危害的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了土壤熱失衡問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了其設(shè)計方案，并給出了土壤熱失衡控制中有待解決的關(guān)鍵問題，可為土壤源熱泵的相關(guān)研究及其實際應(yīng)用提供參考。

1、引言

　　土壤熱失衡問題是隨著土壤源熱泵應(yīng)用地域的延伸及其使用規(guī)模的不斷擴(kuò)大而產(chǎn)生的。它既是土壤源熱泵系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，又是系統(tǒng)生態(tài)環(huán)保的前提。目前，土壤源熱泵土壤熱失衡的概念、產(chǎn)生原因、危害、設(shè)計方案、解決措施及其控制中的關(guān)鍵問題等，對于很多業(yè)內(nèi)人士來說還是很模糊的，從而在一定程度上直接阻礙了土壤源熱泵技術(shù)的正確推廣與健康發(fā)展。真空技術(shù)網(wǎng)(www.13house.cn)發(fā)布本文在闡述土壤熱失衡概念實質(zhì)、產(chǎn)生原因及其危害的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并從土壤源熱泵地下埋管傳熱機(jī)理入手，分析了地下?lián)Q熱區(qū)域熱擴(kuò)散機(jī)理及其控制中的關(guān)鍵問題。

2、土壤熱失衡問題

　　2.1、土壤熱失衡的概念

　　土壤源熱泵利用地下土壤作為吸熱與排熱場所，夏季將室內(nèi)余熱取出實現(xiàn)空調(diào)的同時，將熱量排至地下儲存以備冬用;冬季又將夏季儲存的熱量從地下取出實現(xiàn)供暖后儲存冷量以備夏用，如此往復(fù)實現(xiàn)能源的可再生化與高效利用。因此，從工作原理上來看，土壤源熱泵實質(zhì)上是一種以地下土壤作為蓄能體的跨季節(jié)地下蓄能與釋能系統(tǒng)。在這里，地下土壤是具有蓄能功能的“蓄能體”，而不是簡單的“冷源”或“熱源”。要保持土壤源熱泵系統(tǒng)能夠長期高效運行，就必須保證這一“蓄能體”在以年為運行周期的“恒溫”特性。

　　也就是說，在完成一個運行周期后，地下土壤溫度能夠恢復(fù)至初始狀態(tài)。然而，對于年均冷熱負(fù)荷非平衡地區(qū)，土壤源熱泵地下埋管全年對地下土壤的取放熱量會不一致，形成所謂的“冷熱堆積”，從而導(dǎo)致土壤溫度偏離其作為理想冷熱源時的初始溫度，并呈現(xiàn)逐年升高或降低趨勢，即土壤熱失衡問題。因此，解決土壤熱失衡的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱區(qū)域的土壤溫度在完成一個運行周期后，通過自身的儲能與傳熱擴(kuò)散，土壤溫度能恢復(fù)或接近至初始狀態(tài)，從而保證其作為理想熱源的“恒溫”特性，這就是土壤熱失衡問題的實質(zhì)。

　　2.2、土壤熱失衡的由來

　　2.2.1、冷熱負(fù)荷差異

　　根據(jù)熱泵機(jī)組工作原理及能量守恒定律可知，夏冬季工況下的地下排熱與取熱量分別直接取決于建筑冷負(fù)荷與熱負(fù)荷;在條件一定時，夏季建筑冷負(fù)荷越大，其地下排熱量也越大;冬季熱負(fù)荷越大，其地下取熱量也越大。因此，建筑全年累積冷熱負(fù)荷差異直接決定了全年地下累積取放量的不平衡率。當(dāng)不平衡率超過土壤自身調(diào)控能力時，便會形成所謂的地下土壤“熱堆積”，即土壤熱失衡，從而引起大地土壤能量庫靠自身難以得到恢復(fù)，以至于無法循環(huán)再利用，這是造成土熱失衡問題的根源，是難以改變的客觀因素。

　　2.2.2、設(shè)計問題

　　土壤熱失衡設(shè)計包括地下?lián)Q熱區(qū)域和系統(tǒng)外部輔助冷熱源的優(yōu)化設(shè)計。地下?lián)Q熱區(qū)域的設(shè)計主要是埋管的布置，由于土壤是一個巨大的蓄能體，在蓄能量一定時，增大蓄能體積會降低土壤平均溫度的變化幅度，因此，合理的布孔間距可避免各埋管間熱干擾，從而可有效減緩?fù)寥罍囟鹊纳仙�或下降速度。埋管布置過密，不僅產(chǎn)生熱干擾而導(dǎo)致各鉆孔溫度波疊加，而且也縮小蓄能體的體積，從而會加速土壤溫度的變化，形成“熱堆積”。在埋管布置一定時，系統(tǒng)輔助冷熱源的設(shè)計對于平衡全年地下取放熱量至關(guān)重要。然而實際設(shè)計中，很少嚴(yán)格以全年土壤溫度恢復(fù)為目標(biāo)，來對埋管及其輔助冷熱源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致輔助冷熱源無法實現(xiàn)預(yù)期調(diào)控目標(biāo)。因此，設(shè)計人員對埋管及其輔助冷熱源的優(yōu)化設(shè)計是造成土壤熱失衡的一個極為重要的人為因素。

　　2.2.3、施工問題

　　施工問題是造成土壤熱失衡問題的另一重要人為因素之一。盡管設(shè)計人員在設(shè)計階段充分考慮了土壤熱平衡問題，且按要求布置了埋管形式及其設(shè)計參數(shù)，但由于施工階段缺乏有效的銜接及監(jiān)督，再加上施工人員本身專業(yè)知識的不足，從而造成未按設(shè)計要求施工，最終導(dǎo)致設(shè)計與施工脫節(jié)。

　　2.2.4、運行管理問題

　　一套設(shè)計優(yōu)良的系統(tǒng)，如果運行管理不當(dāng)，也會造成土壤熱失衡問題。目前，絕大多數(shù)系統(tǒng)在設(shè)計時都考慮了土壤熱平衡調(diào)控所需的輔助冷熱源設(shè)備。然而，實際運行過程中，運行管理人員由于各種原因，不按規(guī)定及時啟停輔助冷熱源設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)冬夏季節(jié)土壤的取放熱量不平衡率高于設(shè)計值，從而導(dǎo)致熱堆積，這在實際運行環(huán)節(jié)是一個不可忽視的因素。

　　2.3、土壤熱失衡的危害

　　2.3.1、系統(tǒng)運行效率降低

　　土壤熱失衡的最大危害在于長期運行后埋管區(qū)域土壤的“冷、熱堆積”，這會導(dǎo)致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷熱源時的原始溫度，并呈現(xiàn)出逐年升高(供冷為主的地區(qū))或降低(供暖為主的地區(qū))趨勢，從而導(dǎo)致熱泵蒸發(fā)溫度的降低或冷凝溫度的升高，最終會使系統(tǒng)運行效率降低甚至惡化，從而失去土壤源熱泵所具有的節(jié)能優(yōu)勢。因此，如何保證土壤熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)長期高效運行的關(guān)鍵。

　　2.3.2、對局部土壤熱環(huán)境影響

　　(1)對大地?zé)崃鞯挠绊?/p>

　　已有研究表明:生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣與區(qū)域大地?zé)崃饔忻芮械年P(guān)系，大地?zé)崃鞯母叩蜎Q定了一個地區(qū)地表生態(tài)系統(tǒng)能量供給的下限，可能制約了一些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)物種的多樣性，進(jìn)而影響到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)健性。同時，大地?zé)崃鞯拿}動還影響區(qū)域大氣系統(tǒng)下墊面的熱力背景和氣流運動，從而影響降水的分布和區(qū)域氣候的干濕程度。大地?zé)崃鞯母叩团c區(qū)域地溫梯度以及巖土的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。一個地區(qū)地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)通常可認(rèn)為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關(guān)。由于土壤源熱泵熱失衡平衡所形成的熱堆積必然會引起土壤溫度場的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地?zé)崃�，這無疑會對地表生態(tài)系統(tǒng)帶來難以預(yù)測的影響。

　　(2)對生物生長的影響

　　溫度是影響生物生長發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動過程中所要求的最適溫度以及能忍耐的最低和最高溫度統(tǒng)稱為三基點溫度。最適溫度條件下作物的生命力強盛、生長發(fā)育迅速而正常，當(dāng)臨近其所能忍受的最低或最高溫度時，作物一般會停止發(fā)育，但仍能維持生命，如果溫度持續(xù)降低或升高，作物就會受害直至死亡。土壤溫度的變化也會影響植物根系活動，從而影響其對營養(yǎng)元素的吸收。各種生物只分布在它們所能耐受的溫度范圍內(nèi)，因此土壤溫度是生態(tài)系統(tǒng)存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會導(dǎo)致土壤溫度的逐年持續(xù)升高或降低，一旦其超過原有生物活動所要求的三基溫度，則必然會導(dǎo)致某些生物群落的滅亡，引起生物種類的重新分布，最終影響到整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。

　　還影響區(qū)域大氣系統(tǒng)下墊面的熱力背景和氣流運動，從而影響降水的分布和區(qū)域氣候的干濕程度。大地?zé)崃鞯母叩团c區(qū)域地溫梯度以及巖土的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。一個地區(qū)地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)通�？烧J(rèn)為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關(guān)。由于土壤源熱泵熱失衡平衡所形成的熱堆積必然會引起土壤溫度場的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地?zé)崃�，這無疑會對地表生態(tài)系統(tǒng)帶來難以預(yù)測的影響。

　　(2)對生物生長的影響

　　溫度是影響生物生長發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動過程中所要求的最適溫度以及能忍耐的最低和最高溫度統(tǒng)稱為三基點溫度。最適溫度條件下作物的生命力強盛、生長發(fā)育迅速而正常，當(dāng)臨近其所能忍受的最低或最高溫度時，作物一般會停止發(fā)育，但仍能維持生命，如果溫度持續(xù)降低或升高，作物就會受害直至死亡。土壤溫度的變化也會影響植物根系活動，從而影響其對營養(yǎng)元素的吸收。各種生物只分布在它們所能耐受的溫度范圍內(nèi)，因此土壤溫度是生態(tài)系統(tǒng)存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會導(dǎo)致土壤溫度的逐年持續(xù)升高或降低，一旦其超過原有生物活動所要求的三基溫度，則必然會導(dǎo)致某些生物群落的滅亡，引起生物種類的重新分布，最終影響到整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。

6、結(jié)語

　　土壤熱失衡問題對于土壤源熱泵系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要，是當(dāng)前土壤源熱泵正確推廣與健康發(fā)展的關(guān)鍵，它不僅決定了該系統(tǒng)的市場競爭優(yōu)勢，也決定了該項技術(shù)的節(jié)能與環(huán)保性乃至未來的可持續(xù)發(fā)展性。土壤熱失衡問題作為土壤源熱泵在冷熱非平衡地區(qū)應(yīng)用上的一個技術(shù)難題，完全可以消除土壤源熱泵認(rèn)識誤區(qū)的基礎(chǔ)上，通過前期的優(yōu)化設(shè)計、嚴(yán)格完善的施工監(jiān)控體系及后期規(guī)范化的運行管理來解決，這可以通過業(yè)內(nèi)正確宣傳及設(shè)計部門、施工單位與運行管理部門的共同配合來實現(xiàn)。