引言土壤冷堆积是土壤热泵在冷热负荷非平衡地区应用中常见的问题，是影响其长期高效稳定运行及正确推广与健康发展的关键[1]。对于土壤源热泵目前使用情况以及相应暴露出的问题，现有的解决办法均具有一些的局限性，探索更加稳定、节能和环保的应用方案来解决北方地区的土壤冷堆积问题尤为重要。1土壤冷堆积问题在北方地区，土壤冷堆积会导致土壤温度逐渐偏离其作为理想冷热源时的原始温度，并呈现逐年降低趋势，从而导致热泵蒸发温度的降低或冷凝温度的升高，最终会使系统运行效率降低甚至恶化，失去土壤源热泵所具有的节能优势[1]。土壤初始温度与恢复温度对比如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.012.F001图1土壤初始温度与恢复温度对比[2]由图1可知，土壤源热泵在经过1个供暖期后对土壤温度的改变很大。经过1个月的恢复后，虽然土壤整体温度均有提高，但是深层土壤温度与初始温度仍有很大差距，此时土壤的换热能力较差[2]。土壤基础温度与供暖结束温度对比如图2所示。由图2可知，土壤源热泵供热结束后，随着深度的增加，土壤温度与基础温度相差越来越大。土壤的产热能力已大幅下降，并且在土壤的深层区初始温度越大其温度下降的程度也越大[2]。因此，如何保证土壤热平衡，缓解土壤冷堆积问题，是地源热泵系统长期高效运行的关键。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.012.F002图2土壤基础温度与供暖结束温度对比[2]产生土壤冷堆积问题后，相应的危害也随之而来。张玉瑾[3]等模拟了热泵系统运行10年的土壤温度场变化情况及机组性能变化情况。结果表明，埋管周围5 m范围内土壤平均温度呈逐年下降趋势，土壤冷堆积速率为0.27 ℃/a。随着冷堆积的增加，机组制热性能逐渐下降。土壤冷堆积不仅影响热泵系统运行，而且对大地热量流失和生物生长有重要影响。由于土壤源热泵系统直接由土壤取热，对局部土壤热、湿及盐分迁移，作用半径内的地址环境、水文环境和生态环境产生影响[4]。由于温度是影响生物酶活性必要因素，土壤源热泵系统常年由土壤吸取和释放热量的过程无疑会给作用半径内的动植物和微生物的生长和生态循环带来不可逆的影响[5]。因此，缓解土壤冷堆积问题刻不容缓。2缓解土壤冷堆积最近几年，地下热失衡的土壤冷堆积情况越来越严重，引起了广泛关注。众多学者已经提出多种解决方法，其中一些方法已经应用在实际工程中，初步缓解了土壤冷堆积情况。杨卫波[1]等分析了国内外地下热失衡的研究现状，提出了平衡型、累积排热型、累积取热型冷热源方案来解决地下热失衡，指出了控制地下热失衡的关键为设计和施工问题。Liu[5]等为解决土壤冷堆积问题，提出以锅炉为辅助热源的高温地源热泵系统、地源热泵系统和传统的电冷水机组+锅炉系统带辅助热源的混合地源热泵。分别对3个系统的可行性和性能进行研究，结果表明，以锅炉为辅助热源的高温地源热泵系统能有效地解决蓄冷问题，降低传统的能耗。You[6]等提出了一种多模式空气源热补偿器与空气源热泵系统相结合，构成混合空气源热泵系统（AHC-GCHP）。文章详细阐述了AHC-GCHP的原理和运行策略，并在TRNSYS上对其性能进行了仿真，其COP系数在4.49～15.09之间。系统有效地保持了土壤热平衡。Li[7]等提出了一种有机朗肯循环（ORC）辅助地源热泵组合系统，用于寒冷地区低品位能源和浅层地热能的梯级利用。结果表明，土壤温度保持稳定，非加热季节的94.1%的热能储存可以在加热季节由热泵机组使用。舒海文[8]等以北京地区某一建筑的土壤源热泵系统为例，提出了增加辅助散热设备——冷却塔的设计方法，并利用 TRNSYS 模拟软件对冷却塔与埋管换热器的不同连接方式进行模拟计算，得出可保证土壤源热泵系统长期高效运行的各种设计方案，为在寒冷地区正确设计土壤源热泵系统提供了具体的解决办法。对地下土壤冷堆积问题的热泵补热技术发展已经具有一定规模，但是由于热泵系统是一个复杂的系统工程，在设计、施工、运行管理时都需要一定的专业知识和相应的技术水平，所以导致热泵补热技术在实际应用时，效果并不理想。3冷却塔逆用由于上述方案在解决问题时有不稳定的因素，在实际应用时会对最终效果有负面影响，因此文中提出采用冷却塔逆用来缓解土壤冷堆积问题。冷却塔逆用原理图如图3所示，冷却塔逆用原理是将低温的地下水与环境中的高温空气进行接触，通过空气与地下水的热湿交换使水温升高，将热量送回地下，提高补热量的能流密度，以尽量小的能源消耗为地下土壤补热[9]。环境中的高温空气换热后被降温，在一定程度上取得改善局部热环境的效果。另外，在建筑外设立冷却塔花费的成本低，不会对建筑的外观设计、内部构造等产生影响。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.012.F003图3冷却塔逆用原理Song[10-11]等根据冷却塔逆用原理提出地源热泵补热塔技术，并采用NSGA-Ⅱ研究方法对补热塔性能参数进行优化。Zhang[12]等针对逆流可逆冷却塔的运行工况，建立了传热传质耦合过程的分析模型，建立了具体的差分方程组。结果表明，该模型可为逆流可逆冷却塔的实际设计和性能评价提供理论依据。Tan[13-15]等对冷却塔逆用做了完整的研究，包括逆用冷却塔的吸热理论，评估内部传热传质的方法，对冷却塔内部的传热传质情况进行数值分析，开发了逆用冷却塔（RUWCT）热回收系统的稳态数学模型，基于仿真结果验证了热回收系统的效果。文中建立了如图4所示的冷却塔逆用辅助土壤源热泵的系统。在冬季地源热泵运行时，水在地表土壤中的埋管中流动，与土壤进行换热，将土壤中的热量提取到水中。换热后的水通过蒸发器将热量传递给热泵机组中制冷剂，制冷剂再通过冷凝器向室内传递热量，满足室内的负荷要求。但是土壤源热泵长期运行后，地下土壤蓄热量降低，产生土壤冷堆积问题。夏季冷却塔逆用运行，通过水泵将低温的地下水抽取到冷却塔中，经过喷淋与高温空气的换热，热量传递到低温水中，使其升温，回灌入地下水中，将土壤源热泵运行时吸走的热量再次补回土壤中，使土壤恢复热平衡。冷却塔逆用辅助土壤源热泵系统运行高效，跨季节补热，可以很好地缓解土壤冷堆积问题。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.012.F004图4冷却塔逆用辅助土壤源热泵运行系统4冷却塔逆用经济分析以沈阳地区作为研究的对象，对冷却塔逆用的初投资和运行费用等2个方面研究补热的经济性。冷却塔逆用的初投资费用如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.012.T001表1冷却塔逆用的初投资费用用途规格费用/元冷却塔流量10 t，风机功率1 800 W。12 000水泵流量8 m3/h，扬程70 m，功率2 200 W。3 572将地下水抽入冷却塔，与空气换热后再次回灌地下。沈阳市地下水源热泵的取水深度为50 m~80 m，因此需要选取2台表1所示型号规格水泵，以满足补热塔取水深度。冷却塔逆用的初投资为15 572元。根据耗电量的定义，冷却塔逆用补热的耗电量Q为：Q=(W1+W2)×T (1)式中：Q——冷却塔逆用补热的耗电量，kW；W1——风机电机功率，kW；W2——水泵功率，kW；T——运行时间，h。选取夏季某一天 11：00～17：00运行冷却塔，运行时间为6 h。沈阳地区的电价为0.55元/kWh，经计算，冷却塔逆用补热的耗电量Q=34.8 kW/h，所以冷却塔逆用补热的每天运行费用为S=0.55×34.8≈19.14元。综上所述，冷却塔逆用的初投资费用约15 000元，日运行费用不足20元。采用冷却塔逆用为土壤源热泵产生的土壤冷堆积问题补热，无论是初投资还是运行费用，均较为合理。5结语通过对土壤冷堆积的成因及危害进行了解，对近几年的解决方法进行总结，提出采用冷却塔逆用的方法来缓解土壤冷堆积问题。冷却塔逆用与冷却塔的原理相同，其理论基础、传热传质特点、基本数学模型已经较为完善，为其广泛应用提供了依据。将冷却塔逆用与土壤源热泵系统结合起来其联合运行在满足建筑负荷的同时缓解土壤冷堆积问题，使土壤源热泵系统稳定、高效运行，保证土壤的得热量与放热量达到平衡，对其实际用打下良好的基础。