土壤熱失衡是土壤源熱泵在冷熱負荷非平衡地區應用中出現的一種常見問題，是影響其長期高效穩定運行及正確推廣與健康發展的關鍵。本文在闡述土壤熱失衡概念、由來及其危害的基礎上，詳細分析了土壤熱失衡問題的國內外研究現狀，提出了其設計方案，并給出了土壤熱失衡控制中有待解決的關鍵問題，可為土壤源熱泵的相關研究及其實際應用提供參考。

1、引言

　　土壤熱失衡問題是隨著土壤源熱泵應用地域的延伸及其使用規模的不斷擴大而產生的。它既是土壤源熱泵系統長期高效穩定運行的關鍵，又是系統生態環保的前提。目前，土壤源熱泵土壤熱失衡的概念、產生原因、危害、設計方案、解決措施及其控制中的關鍵問題等，對于很多業內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的正確推廣與健康發展。真空技術網(m.203scouts.com)發布本文在闡述土壤熱失衡概念實質、產生原因及其危害的基礎上，詳細分析了其國內外研究現狀，并從土壤源熱泵地下埋管傳熱機理入手，分析了地下換熱區域熱擴散機理及其控制中的關鍵問題。

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，夏季將室內余熱取出實現空調的同時，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供暖后儲存冷量以備夏用，如此往復實現能源的可再生化與高效利用。因此，從工作原理上來看，土壤源熱泵實質上是一種以地下土壤作為蓄能體的跨季節地下蓄能與釋能系統。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至初始狀態。然而，對于年均冷熱負荷非平衡地區，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”，從而導致土壤溫度偏離其作為理想冷熱源時的初始溫度，并呈現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鍵是地下換熱區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散，土壤溫度能恢復或接近至初始狀態，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。

　　2.2、土壤熱失衡的由來

　　2.2.1、冷熱負荷差異

　　根據熱泵機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荷與熱負荷;在條件一定時，夏季建筑冷負荷越大，其地下排熱量也越大;冬季熱負荷越大，其地下取熱量也越大。因此，建筑全年累積冷熱負荷差異直接決定了全年地下累積取放量的不平衡率。當不平衡率超過土壤自身調控能力時，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，以至于無法循環再利用，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、設計問題

　　土壤熱失衡設計包括地下換熱區域和系統外部輔助冷熱源的優化設計。地下換熱區域的設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，從而可有效減緩土壤溫度的上升或下降速度。埋管布置過密，不僅產生熱干擾而導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，系統輔助冷熱源的設計對于平衡全年地下取放熱量至關重要。然而實際設計中，很少嚴格以全年土壤溫度恢復為目標，來對埋管及其輔助冷熱源進行優化設計，導致輔助冷熱源無法實現預期調控目標。因此，設計人員對埋管及其輔助冷熱源的優化設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。盡管設計人員在設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計參數，但由于施工階段缺乏有效的銜接及監督，再加上施工人員本身專業知識的不足，從而造成未按設計要求施工，最終導致設計與施工脫節。

　　2.2.4、運行管理問題

　　一套設計優良的系統，如果運行管理不當，也會造成土壤熱失衡問題。目前，絕大多數系統在設計時都考慮了土壤熱平衡調控所需的輔助冷熱源設備。然而，實際運行過程中，運行管理人員由于各種原因，不按規定及時啟停輔助冷熱源設備，導致系統冬夏季節土壤的取放熱量不平衡率高于設計值，從而導致熱堆積，這在實際運行環節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域土壤的“冷、熱堆積”，這會導致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷熱源時的原始溫度，并呈現出逐年升高(供冷為主的地區)或降低(供暖為主的地區)趨勢，從而導致熱泵蒸發溫度的降低或冷凝溫度的升高，最終會使系統運行效率降低甚至惡化，從而失去土壤源熱泵所具有的節能優勢。因此，如何保證土壤熱平衡是地源熱泵系統長期高效運行的關鍵。

　　2.3.2、對局部土壤熱環境影響

　　(1)對大地熱流的影響

　　已有研究表明:生態環境的優劣與區域大地熱流有密切的關系，大地熱流的高低決定了一個地區地表生態系統能量供給的下限，可能制約了一些地區生態系統物種的多樣性，進而影響到區域生態系統的穩健性。同時，大地熱流的脈動還影響區域大氣系統下墊面的熱力背景和氣流運動，從而影響降水的分布和區域氣候的干濕程度。大地熱流的高低與區域地溫梯度以及巖土的導熱系數密切相關。一個地區地下巖土導熱系數通常可認為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關。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，進而造成地溫梯度的變化而影響到大地熱流，這無疑會對地表生態系統帶來難以預測的影響。

　　(2)對生物生長的影響

　　溫度是影響生物生長發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、生長發育迅速而正常，當臨近其所能忍受的最低或最高溫度時，作物一般會停止發育，但仍能維持生命，如果溫度持續降低或升高，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，因此土壤溫度是生態系統存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會導致土壤溫度的逐年持續升高或降低，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，最終影響到整個區域生態環境的變化。

　　還影響區域大氣系統下墊面的熱力背景和氣流運動，從而影響降水的分布和區域氣候的干濕程度。大地熱流的高低與區域地溫梯度以及巖土的導熱系數密切相關。一個地區地下巖土導熱系數通常可認為不變，但地溫梯度則與地表溫度、地下巖土溫度分布及深度有關。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，進而造成地溫梯度的變化而影響到大地熱流，這無疑會對地表生態系統帶來難以預測的影響。

　　(2)對生物生長的影響

　　溫度是影響生物生長發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、生長發育迅速而正常，當臨近其所能忍受的最低或最高溫度時，作物一般會停止發育，但仍能維持生命，如果溫度持續降低或升高，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，因此土壤溫度是生態系統存在和演化的重要限制因子。土壤熱失衡會導致土壤溫度的逐年持續升高或降低，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，最終影響到整個區域生態環境的變化。

6、結語

　　土壤熱失衡問題對于土壤源熱泵系統長期高效穩定運行至關重要，是當前土壤源熱泵正確推廣與健康發展的關鍵，它不僅決定了該系統的市場競爭優勢，也決定了該項技術的節能與環保性乃至未來的可持續發展性。土壤熱失衡問題作為土壤源熱泵在冷熱非平衡地區應用上的一個技術難題，完全可以消除土壤源熱泵認識誤區的基礎上，通過前期的優化設計、嚴格完善的施工監控體系及后期規范化的運行管理來解決，這可以通過業內正確宣傳及設計部門、施工單位與運行管理部門的共同配合來實現。