論文十四 地源熱泵長期取熱引發土壤熱失衡機理及地層主動補熱修復技術研究

摘要

閉式垂直埋管式地源熱泵長期冬季單向取熱，若夏季地層補熱量不足，會形成持續性土壤冷堆積，也就是土壤熱失衡問題，表現為地層溫度逐年走低、熱泵制熱能效持續衰減、設備能耗不斷增加，嚴重時會導致整套系統報廢。本文以華北地區連續運行10年的住宅小區閉式地源熱泵系統為研究對象，采用地層分層溫度鉆探監測、埋管換熱數值仿真相結合的方式，劃分輕度、中度、重度三類土壤熱失衡判定標準，剖析熱失衡階段性演化機理。對比夏季自然余熱補熱、地表太陽能集熱主動補熱、跨季節儲熱補熱三種修復方案的修復效果、改造成本、長期運行穩定性。實測結果表明，太陽能集熱主動地層補熱方案適配存量老舊熱泵改造項目，經過一個夏季的補熱修復，地下地層平均溫度回升3.1℃，機組制熱COP恢復至系統投運初期水準，整體系統能耗降低29.6%。該修復方案改造成本適中、施工便捷，為國內大量中后期在役地源熱泵解決土壤熱失衡問題提供成熟可行的成套技術方案。

關鍵詞：地源熱泵；土壤熱失衡；冷堆積；地層主動補熱；數值仿真；存量系統改造

引言

閉式地埋管式地源熱泵依靠地層恒定溫度實現高效換熱，系統冷暖均衡運行是長期穩定工作的基礎。我國北方絕大多數住宅小區地源熱泵系統“重冬季采暖、輕夏季制冷"，建筑夏季制冷負荷遠小于冬季采暖取熱負荷，地層全年熱量收支失衡，熱量長期處于入不敷出的狀態，逐年形成土壤冷堆積。運行5~8年后，換熱效率會出現肉眼可見的衰減，運行十年左右系統能效衰減可達30%以上，大量老舊小區熱泵因熱失衡問題被迫停運。

目前行業內對于土壤熱失衡的研究多偏向新建系統的前期設計優化，針對已經出現重度冷堆積存量熱泵的修復技術研究較少，缺少經濟性強、施工便捷的標準化修復方案。大量老舊熱泵系統若整體更換地埋管，施工周期長、開挖成本高，還會破壞小區路面綠化，居民阻力較大。基于以上行業痛點，本文針對服役十年的老舊小區熱泵系統開展熱失衡機理研究，對比不同補熱修復技術的綜合效益，選出適配存量項目的修復方案。

1 土壤熱失衡監測與機理分析

研究小區為華北省會城市大型居民社區，2016年投運垂直埋管式地源熱泵，地埋管深度90m，僅承擔冬季采暖功能，夏季不開啟制冷模式。2025年現場開展地層分層鉆探測溫，在地埋管區域布設深度20m、50m、90m三層溫度傳感器，連續監測全年地層溫度變化，并通過Fluent軟件建立埋管換熱仿真模型。

監測結果顯示：系統投運第一年地層年均溫度14.2℃；運行第十年后地層年均溫度僅10.5℃，十年累計溫度下降3.7℃，屬于中度偏重冷堆積熱失衡；冬季機組制熱COP由初期3.1衰減至2.0，冬季采暖能耗大幅上升，部分樓棟采暖溫度達不到國家標準。

熱失衡分為三個階段：第一階段為輕度失衡（運行1~4年），地層緩慢降溫，能效衰減不明顯，容易被運維人員忽視；第二階段中度失衡（5~8年），能效顯著衰減，能耗上升，是最佳修復窗口期；第三階段重度失衡（9年以上），地層長期低溫，換熱效率斷崖式下跌，機組長期高負荷運轉，壓縮機故障率大幅提升。本項目正處于中度偏重階段，及時補熱修復可恢復系統原有性能，避免進入重度失衡階段造成系統報廢。

2 三類地層補熱修復方案對比

方案一：夏季余熱自然補熱。夏季開啟熱泵制冷模式，將建筑室內熱量排入地層，依靠制冷余熱給地層補熱。優點為無需額外改造設備，零增量投資；缺點是小區夏季制冷需求低，排入地層熱量有限，修復周期需要3~5年，見效極慢，無法快速扭轉冷堆積趨勢。

方案二：地表太陽能集熱主動補熱。在小區閑置屋頂布設太陽能集熱器，非采暖季將太陽能轉化為熱能，通過換熱管路通入地埋管環路，主動向地層輸送熱量。優點是補熱效率高，一個夏季即可完成地層溫度修復；設備使用壽命長，后續每年夏季可持續主動補熱，從根源杜絕熱失衡復發；施工僅利用屋頂空間，無需開挖小區地面，對居民生活干擾小。缺點是存在初期設備購置與安裝成本。

方案三：跨季節儲熱補熱。修建大型地上儲熱水罐，夏季儲存余熱、冬季用于采暖。優點是能量利用率高；缺點是儲熱水罐占地面積大，小區內難以規劃建設用地，土建施工成本高，不適用于建成老舊小區。

綜合對比修復效率、施工條件、長期運維成本，確定選用太陽能集熱主動補熱方案為本項目修復方案。

3 修復施工與運行效果

利用小區樓棟屋頂布設平板式太陽能集熱陣列，配套板式換熱器、循環控制系統，在每年6~9月非采暖季開啟主動補熱系統，高溫換熱介質通入地埋管環路向地層持續補熱。經過一個夏季連續補熱后復測地層溫度，地層平均溫度回升3.1℃，恢復至系統投運初期水平。下一個采暖季機組平均制熱COP回升至3.0，系統整體采暖能耗相比修復前下降29.6%，壓縮機啟停頻次大幅降低，設備使用壽命得到延長。后續每年夏季定期開啟太陽能補熱系統，能夠維持地層熱量收支平衡，避免土壤冷堆積再次發生。

4 結論

土壤熱失衡具有階段性演化特征，中度失衡階段是存量地源熱泵系統最佳修復窗口期，一旦進入重度失衡階段，修復難度與改造成本會成倍增加。對于北方僅冬季采暖的老舊小區地源熱泵系統，地表太陽能集熱主動補熱方案綜合效益優，施工依托建筑屋頂，不破壞小區地面設施，短期即可完成地層溫度修復，長期周期性補熱能實現地層熱量收支平衡，解決土壤熱失衡難題。

新建地源熱泵項目應當在設計階段統籌冷暖負荷，保證地層全年熱量收支均衡；若建筑冷熱負荷差異較大，應預留太陽能補熱管路接口，為后期地層修復提前做好規劃，延長地源熱泵系統全生命周期使用年限。

參考文獻

[1] 余延順.地源熱泵土壤熱失衡問題研究進展[J].暖通空調,2021,51(05):1-8.

[2] 陶文銓.傳熱學（第六版）[M].高等教育出版社,2020.

[3] 住建部.地源熱泵系統運維管理導則[S].2023.

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

淺層地溫遠程監測系統、地源熱泵一體化監測控制柜、多參數綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業觸控采集主機、淺層地熱標準化監測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求