鹽堿地區淺層地埋管熱泵土壤換熱性能衰減機理及改良方案研究

摘要

我國西北、華北濱海區域廣泛分布鹽堿化土壤，鹽堿土體含鹽量高、鹽分具備隨溫度遷移結晶的特性，淺層地埋管地源熱泵長期運行過程中，土壤鹽分會在換熱管道外壁不斷結晶結垢，形成致密隔熱層增大換熱熱阻，造成地埋管換熱效率逐年持續性衰減；同時鹽堿土壤具備較強電化學腐蝕性，加速PE換熱管材老化破損，嚴重縮短埋管系統使用壽命。本文開展鹽堿土壤換熱模擬試驗，剖析鹽分溫度遷移、管壁結垢隔熱、管材電化學腐蝕三大換熱衰減內在機理，分別對管道外壁復合防腐隔熱涂層改良、換熱管周邊土壤換填改良、機組間歇式換熱運行三種改良方案進行長效工況對比試驗。試驗結果表明：換熱管材外壁噴涂耐高溫防腐隔熱復合涂層，搭配熱泵系統間歇式啟停運行模式，可以有效抑制鹽分在管壁結晶附著，再輔以局部優質土壤換填優化管路周邊換熱環境，能夠讓鹽堿地層地埋管系統長期保持穩定換熱性能，為我國鹽堿土地帶規模化推廣淺層地源熱泵系統提供地層適配改良技術方案。

關鍵詞：鹽堿土壤；地埋管換熱；鹽分結晶；換熱衰減；管材防腐；土壤改良

一、引言

淺層地源熱泵依靠地埋管與周邊巖土體進行熱量交換，巖土土體的理化性質直接決定地埋管換熱效率與管路服役壽命。我國西北甘肅、寧夏以及華北沿海灘涂區域分布大面積鹽堿土壤，土壤中含有大量鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽等可溶性鹽類物質。在地埋管冬季取熱、夏季排熱的換熱過程中，管道管壁溫度與周邊土體存在溫差，土壤孔隙水溶液中的可溶性鹽會隨著溫度梯度向管壁處遷移，水分蒸發后鹽分析出結晶，逐年在管道外壁形成一層堅硬的鹽垢隔熱層，阻隔管材與土壤之間的熱量傳遞，地埋管換熱熱阻逐年升高，換熱能力持續下滑。與此同時，鹽堿土體導電率高，在土壤內形成電化學腐蝕環境，即便采用PE塑料換熱管材，長期土壤電化學環境會加速管材高分子材料老化，出現管材脆化開裂、介質泄漏等故障。

當前國內地源熱泵相關規范與設計方案大多基于中性土壤工況制定，缺少針對鹽堿地層的專項設計與改良方案。很多在鹽堿區域投建的地源熱泵項目，投運2~3年后換熱效率大幅下降，機組能效比衰減超過30%，供暖制冷能力無法滿足建筑負荷，不得不對埋管系統進行大規模改造，項目后期運維改造成本高，制約了地源熱泵在鹽堿地區的普及應用。因此深入研究鹽堿土壤下地埋管換熱性能衰減機理，并針對性提出經濟可行的改良方案，對推動鹽堿地區淺層地熱清潔能源發展至關重要。

二、鹽堿土壤地埋管換熱性能衰減三大機理

2.1 鹽分溫度遷移與管壁鹽垢結晶機理

土壤水溶液中可溶性鹽的溶解度隨溫度降低明顯下降。冬季地埋管內部低溫換熱介質吸收土體熱量，管壁溫度低于周邊土體溫度，土壤水溶液沿著溫度梯度向管壁聚集，鹽分在低溫管壁處達到過飽和狀態，不斷析出固態鹽結晶，附著在管道外壁形成鹽垢層；夏季管道向外排熱，管壁溫度升高，表層少量鹽分重新溶解，但深層鹽垢結構致密無法溶解，逐年累積增厚，形成性隔熱屏障，增大換熱熱阻。

2.2 鹽垢隔熱造成換熱效率持續衰減

鹽垢導熱系數遠低于土壤巖土，幾毫米厚的致密鹽垢層就可以大幅阻礙管壁與土體之間的熱量傳遞，地埋管單位管長換熱量逐年降低，為滿足建筑冷熱負荷，熱泵機組只能長期高頻率高負荷運行，機組能耗不斷上升，設備損耗加劇。

2.3 鹽堿土體電化學腐蝕加速管材老化

鹽堿土壤含水率高、含鹽量高，土體具備良好導電性，形成無數微小電化學原電池。PE管材雖然不發生電化學腐蝕，但長期處于高導電鹽堿濕熱環境下，管材高分子鏈逐步老化脆化，管材韌性下降，在地層土體擠壓、管路水錘沖擊作用下極易開裂泄漏。

三、三類改良方案模擬工況對比試驗

搭建鹽堿土壤恒溫換熱試驗臺，土壤含鹽量設置為鹽堿地區典型含鹽指標，采用常規PE換熱管作為對照組，另外三組分別采用不同改良方案開展為期12個月連續換熱對比試驗。

方案一：管材外壁噴涂耐高溫防腐隔熱復合涂層。涂層一方面隔絕鹽堿土體與管材本體接觸，減緩管材老化；另一方面涂層致密光滑，不利于鹽分晶體牢固附著，大部分鹽分結晶會隨土壤水溶液流動脫落，難以形成厚層鹽垢。試驗顯示該管材外壁鹽垢厚度僅為對照組的1/6，管材老化速率顯著降低。

方案二：換熱孔周邊換填中性改良土壤。在地埋管鉆井完成后，不使用原有鹽堿土體回填，改用不含鹽分的砂土、黏土混合中性土壤回填換熱孔，從根源消除管壁鹽分結晶來源。該方案換熱穩定性優，但鉆井回填施工工程量大、材料運輸成本高，適合小型重點建筑項目，大規模園區項目經濟性較差。

方案三：熱泵間歇式換熱運行策略。摒棄機組24小時連續運行模式，采用“運行2小時、停機1小時"間歇換熱，讓管壁溫度與周邊土體溫度緩慢趨于平衡，縮小管壁與土體溫差，削弱鹽分溫度遷移驅動力，減少鹽分向管壁聚集結晶。該方案無需改造硬件，依靠電控程序優化即可實現，改造成本低，但需要匹配建筑冷熱負荷動態調控。

通過三類方案單項與組合試驗得出優改良方案：外壁防腐隔熱涂層管材+間歇式運行調控，對換熱孔底部1~2m區域進行局部中性土壤換填，兼顧換熱穩定性、施工改造成本與長效防腐性能，適配絕大多數鹽堿地區工程項目。

四、現場工程項目應用效果

將改良方案應用于西北某鹽堿區域產業園淺層地源熱泵項目，對一部分地埋管采用傳統方案施工作為對照環路，其余管路采用涂層管材+間歇運行+局部土壤換填改良方案。經過兩個完整冷暖季運行監測：對照組環路外壁形成明顯鹽垢層，換熱效率衰減32.6%；改良后的地埋管環路管壁僅有微量松散鹽分結晶，無致密隔熱鹽垢形成，換熱效率衰減僅4.7%，管材外壁無明顯老化現象，熱泵機組全年運行能耗遠低于對照環路，換熱性能長期穩定。

五、方案優化與實施建議

對于大型鹽堿區域地源熱泵項目，優先選用外壁帶防腐隔熱涂層的換熱管材，控制系統采用間歇換熱智能調控邏輯，對換熱孔底部易積水積鹽區域做中性土壤換填，平衡改造投入與長效換熱效益；對于小型零散建筑項目，可僅采用涂層管材+間歇運行策略，降低初期施工成本；對于濱海重度鹽堿灘涂區域，必須配套全孔中性土壤換填方案，保障埋管系統幾十年服役周期穩定換熱。運維階段每年通過管路壓力監測排查管材老化泄漏風險，保障系統長期運行安全。

六、結論

鹽堿土壤內部可溶性鹽分隨溫度梯度遷移結晶、管壁形成鹽垢隔熱層、鹽堿土體電化學環境加速管材老化，是鹽堿地區淺層地埋管換熱性能逐年衰減、管路提前失效的三大核心機理，傳統中性土壤適配型埋管方案無法在鹽堿地層長期穩定運行。單一改良方案存在換熱效果差或者施工成本過高的短板，采用“外壁防腐隔熱涂層管材+機組間歇式換熱運行+換熱孔底部局部中性土壤換填"的組合式改良方案，可以從抑制鹽分結晶附著、縮小管壁溫差、優化局部換熱環境、延緩管材老化多個維度解決鹽堿地層換熱衰減問題。

工程項目冷暖季實測數據驗證，該組合改良方案能夠把地埋管換熱效率年衰減幅度控制在5%以內，極大延長換熱管材服役壽命，兼具良好換熱穩定性與工程經濟性，可以適配不同規模的鹽堿區域建筑地源熱泵項目。該改良方案優化國內鹽堿地區淺層地埋管成套適配技術的空白，為我國西北鹽堿地帶、華北濱海鹽堿灘涂區域推廣淺層地源熱泵清潔冷暖供能系統提供了成熟可行的技術解決方案，助力鹽堿區域建筑實現節能低碳供暖制冷。

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