地源热泵长期取热引发土壤热失衡机理及地层主动补热修复技术研究

论文十四 地源热泵长期取热引发土壤热失衡机理及地层主动补热修复技术研究

摘要

闭式垂直埋管式地源热泵长期冬季单向取热，若夏季地层补热量不足，会形成持续性土壤冷堆积，也就是土壤热失衡问题，表现为地层温度逐年走低、热泵制热能效持续衰减、设备能耗不断增加，严重时会导致整套系统报废。本文以华北地区连续运行10年的住宅小区闭式地源热泵系统为研究对象，采用地层分层温度钻探监测、埋管换热数值仿真相结合的方式，划分轻度、中度、重度三类土壤热失衡判定标准，剖析热失衡阶段性演化机理。对比夏季自然余热补热、地表太阳能集热主动补热、跨季节储热补热三种修复方案的修复效果、改造成本、长期运行稳定性。实测结果表明，太阳能集热主动地层补热方案适配存量老旧热泵改造项目，经过一个夏季的补热修复，地下地层平均温度回升3.1℃，机组制热COP恢复至系统投运初期水准，整体系统能耗降低29.6%。该修复方案改造成本适中、施工便捷，为国内大量中后期在役地源热泵解决土壤热失衡问题提供成熟可行的成套技术方案。

关键词：地源热泵；土壤热失衡；冷堆积；地层主动补热；数值仿真；存量系统改造

引言

闭式地埋管式地源热泵依靠地层恒定温度实现高效换热，系统冷暖均衡运行是长期稳定工作的基础。我国北方绝大多数住宅小区地源热泵系统“重冬季采暖、轻夏季制冷"，建筑夏季制冷负荷远小于冬季采暖取热负荷，地层全年热量收支失衡，热量长期处于入不敷出的状态，逐年形成土壤冷堆积。运行5~8年后，换热效率会出现肉眼可见的衰减，运行十年左右系统能效衰减可达30%以上，大量老旧小区热泵因热失衡问题被迫停运。

目前行业内对于土壤热失衡的研究多偏向新建系统的前期设计优化，针对已经出现重度冷堆积存量热泵的修复技术研究较少，缺少经济性强、施工便捷的标准化修复方案。大量老旧热泵系统若整体更换地埋管，施工周期长、开挖成本高，还会破坏小区路面绿化，居民阻力较大。基于以上行业痛点，本文针对服役十年的老旧小区热泵系统开展热失衡机理研究，对比不同补热修复技术的综合效益，选出适配存量项目的优修复方案。

1 土壤热失衡监测与机理分析

研究小区为华北省会城市大型居民社区，2016年投运垂直埋管式地源热泵，地埋管深度90m，仅承担冬季采暖功能，夏季不开启制冷模式。2025年现场开展地层分层钻探测温，在地埋管区域布设深度20m、50m、90m三层温度传感器，连续监测全年地层温度变化，并通过Fluent软件建立埋管换热仿真模型。

监测结果显示：系统投运第一年地层年均温度14.2℃；运行第十年后地层年均温度仅10.5℃，十年累计温度下降3.7℃，属于中度偏重冷堆积热失衡；冬季机组制热COP由初期3.1衰减至2.0，冬季采暖能耗大幅上升，部分楼栋采暖温度达不到国家标准。

热失衡分为三个阶段：第一阶段为轻度失衡（运行1~4年），地层缓慢降温，能效衰减不明显，容易被运维人员忽视；第二阶段中度失衡（5~8年），能效显著衰减，能耗上升，是最佳修复窗口期；第三阶段重度失衡（9年以上），地层长期低温，换热效率断崖式下跌，机组长期高负荷运转，压缩机故障率大幅提升。本项目正处于中度偏重阶段，及时补热修复可恢复系统原有性能，避免进入重度失衡阶段造成系统报废。

2 三类地层补热修复方案对比

方案一：夏季余热自然补热。夏季开启热泵制冷模式，将建筑室内热量排入地层，依靠制冷余热给地层补热。优点为无需额外改造设备，零增量投资；缺点是小区夏季制冷需求低，排入地层热量有限，修复周期需要3~5年，见效极慢，无法快速扭转冷堆积趋势。

方案二：地表太阳能集热主动补热。在小区闲置屋顶布设太阳能集热器，非采暖季将太阳能转化为热能，通过换热管路通入地埋管环路，主动向地层输送热量。优点是补热效率高，一个夏季即可完成地层温度修复；设备使用寿命长，后续每年夏季可持续主动补热，从根源杜绝热失衡复发；施工仅利用屋顶空间，无需开挖小区地面，对居民生活干扰小。缺点是存在初期设备购置与安装成本。

方案三：跨季节储热补热。修建大型地上储热水罐，夏季储存余热、冬季用于采暖。优点是能量利用率高；缺点是储热水罐占地面积大，小区内难以规划建设用地，土建施工成本高，不适用于建成老旧小区。

综合对比修复效率、施工条件、长期运维成本，确定选用太阳能集热主动补热方案为本项目修复方案。

3 修复施工与运行效果

利用小区楼栋屋顶布设平板式太阳能集热阵列，配套板式换热器、循环控制系统，在每年6~9月非采暖季开启主动补热系统，高温换热介质通入地埋管环路向地层持续补热。经过一个夏季连续补热后复测地层温度，地层平均温度回升3.1℃，恢复至系统投运初期水平。下一个采暖季机组平均制热COP回升至3.0，系统整体采暖能耗相比修复前下降29.6%，压缩机启停频次大幅降低，设备使用寿命得到延长。后续每年夏季定期开启太阳能补热系统，能够维持地层热量收支平衡，避免土壤冷堆积再次发生。

4 结论

土壤热失衡具有阶段性演化特征，中度失衡阶段是存量地源热泵系统最佳修复窗口期，一旦进入重度失衡阶段，修复难度与改造成本会成倍增加。对于北方仅冬季采暖的老旧小区地源热泵系统，地表太阳能集热主动补热方案综合效益优，施工依托建筑屋顶，不破坏小区地面设施，短期即可完成地层温度修复，长期周期性补热能实现地层热量收支平衡，解决土壤热失衡难题。

新建地源热泵项目应当在设计阶段统筹冷暖负荷，保证地层全年热量收支均衡；若建筑冷热负荷差异较大，应预留太阳能补热管路接口，为后期地层修复提前做好规划，延长地源热泵系统全生命周期使用年限。

参考文献

[1] 余延顺.地源热泵土壤热失衡问题研究进展[J].暖通空调,2021,51(05):1-8.

[2] 陶文铨.传热学（第六版）[M].高等教育出版社,2020.

[3] 住建部.地源热泵系统运维管理导则[S].2023.

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求