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(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了其設(shè)計(jì)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(shí)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(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)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(jì)方案、解決措施及其控制中的關(guān)鍵問題等，對(duì)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)(smsksx.com)發(fā)布本文在闡述土壤熱失衡概念實(shí)質(zhì)、產(chǎn)生原因及其危害的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了其國(guó)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(chǎng)所，夏季將室內(nèi)余熱取出實(shí)現(xiàn)空調(diào)的同時(shí)，將熱量排至地下儲(chǔ)存以備冬用;冬季又將夏季儲(chǔ)存的熱量從地下取出實(shí)現(xiàn)供暖后儲(chǔ)存冷量以備夏用，如此往復(fù)實(shí)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(shí)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(jiǎn)單的“冷源”或“熱源”。要保持土壤源熱泵系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期高效運(yùn)行，就必須保證這一“蓄能體”在以年為運(yùn)行周期的“恒溫”特性。

　　也就是說，在完成一個(gè)運(yùn)行周期后，地下土壤溫度能夠恢復(fù)至初始狀態(tài)。然而，對(duì)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(duì)地下土壤的取放熱量會(huì)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(shí)的初始溫度，并呈現(xiàn)逐年升高或降低趨勢(shì)，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(gè)運(yùn)行周期后，通過自身的儲(chǔ)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(shí)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(shí)，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(shí)，便會(huì)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(kù)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(jì)問題

　　土壤熱失衡設(shè)計(jì)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(jì)。地下?lián)Q熱區(qū)域的設(shè)計(jì)主要是埋管的布置，由于土壤是一個(gè)巨大的蓄能體，在蓄能量一定時(shí)，增大蓄能體積會(huì)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(huì)加速土壤溫度的變化，形成“熱堆積”。在埋管布置一定時(shí)，系統(tǒng)輔助冷熱源的設(shè)計(jì)對(duì)于平衡全年地下取放熱量至關(guān)重要。然而實(shí)際設(shè)計(jì)中，很少嚴(yán)格以全年土壤溫度恢復(fù)為目標(biāo)，來對(duì)埋管及其輔助冷熱源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致輔助冷熱源無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期調(diào)控目標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)人員對(duì)埋管及其輔助冷熱源的優(yōu)化設(shè)計(jì)是造成土壤熱失衡的一個(gè)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(jì)人員在設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)的不足，從而造成未按設(shè)計(jì)要求施工，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)與施工脫節(jié)。

　　2.2.4、運(yùn)行管理問題

　　一套設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)，如果運(yùn)行管理不當(dāng)，也會(huì)造成土壤熱失衡問題。目前，絕大多數(shù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際運(yùn)行過程中，運(yùn)行管理人員由于各種原因，不按規(guī)定及時(shí)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(jì)值，從而導(dǎo)致熱堆積，這在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)是一個(gè)不可忽視的因素。

　　2.3、土壤熱失衡的危害

　　2.3.1、系統(tǒng)運(yùn)行效率降低

　　土壤熱失衡的最大危害在于長(zhǎng)期運(yùn)行后埋管區(qū)域土壤的“冷、熱堆積”，這會(huì)導(dǎo)致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷熱源時(shí)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(shì)，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(huì)使系統(tǒng)運(yùn)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(shì)。因此，如何保證土壤熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　2.3.2、對(duì)局部土壤熱環(huán)境影響

　　(1)對(duì)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(gè)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(shí)，大地?zé)崃鞯拿}動(dòng)還影響區(qū)域大氣系統(tǒng)下墊面的熱力背景和氣流運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(huì)引起土壤溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地?zé)崃鳎�這無疑會(huì)對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)帶來難以預(yù)測(cè)的影響。

　　(2)對(duì)生物生長(zhǎng)的影響

　　溫度是影響生物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動(dòng)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(diǎn)溫度。最適溫度條件下作物的生命力強(qiáng)盛、生長(zhǎng)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(shí)，作物一般會(huì)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(huì)受害直至死亡。土壤溫度的變化也會(huì)影響植物根系活動(dòng)，從而影響其對(duì)營(yíng)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(huì)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(dòng)所要求的三基溫度，則必然會(huì)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(gè)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(yùn)動(dòng)，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(gè)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(huì)引起土壤溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成地溫梯度的變化而影響到大地?zé)崃鳎�這無疑會(huì)對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)帶來難以預(yù)測(cè)的影響。

　　(2)對(duì)生物生長(zhǎng)的影響

　　溫度是影響生物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素之一。通常把作物生命活動(dòng)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(diǎn)溫度。最適溫度條件下作物的生命力強(qiáng)盛、生長(zhǎng)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(shí)，作物一般會(huì)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(huì)受害直至死亡。土壤溫度的變化也會(huì)影響植物根系活動(dòng)，從而影響其對(duì)營(yíng)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(huì)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(dòng)所要求的三基溫度，則必然會(huì)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(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。

6、結(jié)語

　　土壤熱失衡問題對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也決定了該項(xiàng)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(gè)技術(shù)難題，完全可以消除土壤源熱泵認(rèn)識(shí)誤區(qū)的基礎(chǔ)上，通過前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)、嚴(yán)格完善的施工監(jiān)控體系及后期規(guī)范化的運(yùn)行管理來解決，這可以通過業(yè)內(nèi)正確宣傳及設(shè)計(jì)部門、施工單位與運(yùn)行管理部門的共同配合來實(shí)現(xiàn)。