引言地源热泵作为一种浅层地热能开发利用的新技术，与传统空调系统相比，可以有效地降低建筑能耗以及减少碳排放，已经在世界范围内被广泛应用于建筑物的供冷和供热，相关研究也一直是建筑节能与可再生能源利用领域的研究热点[1-3]。地源热泵在提取浅层地热能的同时，容易破坏土壤的热平衡，对地源热泵系统长期运行的稳定性造成影响。Qian[4]等针对夏热冬冷地区地源热泵基于实测数据和模拟的热不平衡研究较少这一问题，提出了一个综合仿真模型来评估地源热泵系统的热不平衡，通过案例研究，对地源热泵在我国住宅建筑中的实际运行进行了模拟和分析。Rees[5]等总结了英国国内地源热泵的发展过程和应用现状，并基于大量地源热泵和空气源热泵系统案例，介绍了一系列现场试验结果。王子珑[6]等以河北廊坊市某典型办公建筑为例，对地埋管地源热泵系统长期运行过程中的地温变化和系统性能进行了监测与分析，结果表明土壤未出现冷热堆积现象，热泵机组具有较高的运行性能系数，但仍存在较大的改进空间。Luo[7]等根据德国南部某办公楼地源热泵系统连续4年的监测数据，分析了该系统的供热供冷性能。Zhang[8]等选取我国夏热冬冷地区地源热泵系统为测量对象，分析了地源侧和用户侧重要参数的特性、能源效率、能耗以及地源侧长期出水温度的变化特点。梁幸福[9]等现场测试苏中某示范地源热泵系统夏季工况下地埋管变流量运行和间歇运行规律，并对系统室内末端与机组和埋管匹配运行进行优化研究。王欣[10]分析了夏热冬冷地区共48个地源热泵项目冬季供热、夏季制冷工况下实际运行效果、机组性能系数及系统能效比，结果表明全年工况下机组耗电量占系统总能耗的51.7%~92.7%，地源热泵系统与常规供冷热系统相比节能环保、经济利益显著，在15~20年寿命周期内平均5.8年回收投资成本。本研究旨在通过对扬州市7个住宅小区地源热泵系统机房的实地调研，提出相应的优化方案，为地源热泵机房管理人员提供高效的运行方案借鉴，为地源热泵设计工作者后续设计更稳定高效的系统提供依据。1项目概况1.1调研概况调研小区中运行时间最长的是D小区和B小区，运行起点为2011年。除D小区采用无热回收热泵机组和水源热泵辅助散热系统，其余热泵系统普遍采用带热回收和无热回收机组相搭配的系统形式。用户末端形式方面，除较早设计的D小区和B小区，其余多采用夏季风机盘管和冬季地暖盘管搭配组合。本次调研主要针对扬州市7个小区，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.009.T001表1调研小区基本状况小区热泵机组用户末端形式用户数/户运行起点A2台全热回收+2台无热回收风机盘管+地暖1602014年B2台部分热回收+1台全热回收风机盘管3562011年C2台全热回收+3台无热回收风机盘管+地暖6302017年D2台无热回收+1台水源热泵风机盘管1 1002011年E4台全热回收+3台无回收风机盘管—2016年F2台全热回收+2台无热回收风机盘管+地暖—2015年G2台全热回收+2台无热回收风机盘管+地暖800~9002014年1.2系统设计工况扬州地区地源热泵空调系统和生活热水系统，普遍采用以下设计工况：夏季空调供回水温度7 ℃/12 ℃，冷凝器进出水温度35 ℃/30 ℃；冬季空调供回水温度45 ℃/40 ℃，蒸发器进出水温度5 ℃/10℃；生活热水系统设计供回水温度45 ℃/40 ℃。1.3地源热泵系统形式分析扬州地区地源热泵系统形式，主要包括3个部分，即地源热泵空调系统、生活热水系统和地埋管系统。目前扬州地区低层小区普遍采用的地源热泵系统形式，其典型特征是采用了带热回收的热泵机组和冷却塔辅助散热装置。典型的系统形式如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.009.F001图1扬州某典型小区地源热泵系统原理1.4运行模式调研发现各地源热泵系统全年运行主要分3种模式：夏季供冷工况下运行模式、冬季供热工况下运行模式以及春夏季之间与秋冬季之间两段既不供暖又不供冷的过渡季节运行模式。（1）夏季模式。控制系统优先选择运行时间较少的无热回收热泵主机，打开选定热泵主机的蒸发器和冷凝器阀门，阀门打开后开启运行时间较少的空调侧和地源侧循环泵（每台主机对应1台相应水泵），操作结束后，开启主机；用户冷负荷大于当前运行热泵主机制冷量并保持一段时间后，自动加载另1台热泵主机和相对应的地源侧循环泵；系统冷负荷只需1台热泵机组运行时，其地源热泵主机和对应的水泵可以根据设定时间自动轮换。热水罐温度低于设定值时，自动打开带热回收运行时间较少地源热泵主机和对应的水泵阀门（热回收循环泵、地源循环泵），水罐温度达到设定值后关闭热回收主机延时关闭水泵和阀门。（2）冬季模式。冬季运行模式下控制流程与夏季相似，但其系统热泵主机加载部分改为：系统运行热负荷大于当前运行热泵主机制热量并保持一段时间后，自动加载另1台热泵主机和相对应的地源侧循环泵；当系统热负荷只需1台热泵机组运行时，其地源热泵主机和对应的水泵可以根据设定时间自动轮换。另外，冬季生活热水循环系统工作流程与夏季相同。（3）过渡季节模式。过渡季节生活热水需求较少，通常无热回收机组停机，只需要运行1台带热回收热泵主机即可满足用户生活热水需求。具体模式为热水罐温度低于45 ℃设定值时，控制系统自动打开热泵主机和对应的水泵阀门（热回收循环泵、地源循环泵），水罐温度达到设定值后，关闭热回收主机延时关闭水泵和阀门，生活热水循环泵将热水送至用户进行使用。带热回收机组通常只有1个压缩机，在负荷范围内热泵主机压缩机按10%~100%无级调节。2运行现状夏热冬冷地区作为地源热泵主要应用地区之一，夏季供冷期要长于冬季供热期，以夏季供冷为主。一般来说，地源热泵全年向土壤排放的热量会多于从土壤吸取的热量，如果不采取相关措施，会造成土壤温度逐年升高，导致系统效率下降，能耗增加。扬州属于典型的夏热冬冷地区，通过调研发现，大部分小区设计时考虑了冷却塔辅助散热，但实际运行中，由于制备生活热水需要一定的热量，冷却塔始终未开启。2.1调研数据分析以A小区的部分运行数据为例，探讨全年生活热水取热对地埋管系统长期运行的影响。该系统2017年1月~2019年3月期间的地埋管进出口温度变化曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.009.F002图2地埋管进出口温度变化曲线由图2可知，3个供暖期，埋管出口水温出现了明显的下降趋势；2个供冷期，埋管出口温度也存在一定下降。地源热泵系统全年生活热水取热，会导致整个运行期间内排入地下土壤的热量小于全年埋管取热量，长期运行导致土壤温度下降，冬季制热效果变差。2.2系统运行现状分析经过对扬州地区7个住宅小区地源热泵系统的现场调研发现，目前扬州地区地源热泵系统实运行现状如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.009.T002表2扬州地区各地源热泵小区运行现状小区运行现状冷却塔辅助散热A冬季效果较运行初期有所下降未启用B冬季效果较运行初期明显下降未启用C运行良好未安装D冬季效果较运行初期略有下降；地埋管出现少量损坏、漏水。未安装E冬季效果较运行初期有所下降未启用F冬季效果较运行初期有所下降；地埋管出现少量损坏。未启用G冬季效果较运行初期有所下降未启用（1）除D小区采用地表水源热泵辅助散热以外，其余6个小区设计时都考虑采用冷却塔辅助调峰散热。实际调研发现，运行数年始终未开启冷却塔，从侧面反映带热回收装置的地源热泵系统，大量热量被回收利用，系统无须再进行辅助散热。（2）C小区因运行时间较短，且入住率较低，目前地源热泵系统运行良好。其余系统运行时间大于3 a，系统因生活热水系统全年取热，导致系统夏季注入土壤的热量要小于冬季取出的热量，长期运行导致土壤温度下降，冬季制热效果有所降低。（3）由于埋管施工工艺的限制，地埋管系统长期运行出现少量损坏。3系统优化方案（1）建立土壤热失衡预警机制。基于动态负荷，提前估计冬季负荷和夏季负荷差值，合理规划设计冬夏季地源热泵开启时间或调整进出口温度，使冬夏季换热量达到稳定平衡。与此同时，建立预警机制，通过分析动态仿真，在热泵机组上设置温度偏差阈值，系统发出预警后，调整机组系统运行模式，开启太阳能集热器系统或其他辅助热源，尽可能减小发生土壤冷堆积的可能性，是一种高效可行的方案[11]。（2）太阳能-地源热泵复合式系统。调研发现部分系统地下土壤存在一定的冷堆积现象，因此可以在原系统中新增太阳能集热器模块。冬季分集水器出水温度小于用户设定温度时，开启太阳能辅助系统，以提高用户端进水温度，保证供热需求。利用太阳能集热器，减少从土壤中提取的热量，有效改善土壤冷堆积。冬季采暖时，利用太阳能提高进入蒸发器的低位热源循环介质的温度，可以减小冷凝温度与蒸发温度的温差，提高热泵机组的工作效率。（3）辅助热源。采用辅助热源系统提高冬季的供热量，地源热泵机组供水温度低于供水系统设定水温时，关闭地源热泵系统，同时开启辅助热源系统应对地源热泵取热不足的问题。常见的辅助热源可以采用电加热、锅炉供热以及接市政蒸气管网，各地可以根据自身情况选择合适的辅助热源。4系统设计建议（1）生活热水系统与空调系统独立运行。通过7个典型项目的实地调研可以得出，采用冷凝热回收方式制备生活热水时，可能会导致土壤冷堆积，进而造成冬季效果有所下降。因此，建议将生活热水从地源热泵系统中脱离，单独采用空气源热泵等热源制备生活热水，并采用冷却塔辅助散热，维持地下土壤全年热平衡，保证系统长期高效运行。（2）埋管的合理设计及其运行模式。埋管设计时，可与热泵机组对应设置成多组回路，交替使用。部分负荷时，可优先考虑使用外围环路，以加速周边埋管土壤热量的扩散。同时在埋管区土壤中心位置设置温度传感器，及时监控土壤温度的变化，一旦温度超过设定值时预警，开启辅助调峰设备，避免冷热堆积。在埋管布置方面，条件允许时，可以适当增大埋管间距，以减小埋管间相互热干扰[12]。（3）设置辅助冷热源。采用太阳能等辅助热源系统，解决地源热泵冬季取热量过多导致的土壤热失衡，各小区可根据自身情况选择合适的辅助热源。针对某些带喷泉的小区，如果夏季排热量较大，可以采用喷泉辅助散热。对于靠近江河湖泊的空调建筑，可以根据天然水域的面积大小，合理设计采用水源热泵辅助的复合式地源热泵系统。5结语基于对扬州地区7个住宅小区地源热泵系统运行状况的调研分析，总结了各小区地源热泵系统应用状况及运行存在的问题，针对发现的问题提出了相应的系统优化方案，并对后续地源热泵系统的设计提出了一定建议。