1.土壤热平衡概述

地源热泵依靠土壤换热器（ground heat exchanger）从地下土壤中提取温差能，虽然热泵机组的热源和冷源都是扩散半径范围内的土壤温差，但由于建筑物冬夏空调负荷差异以及运行的时间不一致，导致在空调运行期间土壤换热器系统夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量一般并不一致，这样长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成其温度不断偏离其初始温度，并导致土壤换热器系统内循环水的温度随之变化以及系统运行效率逐年下降，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。

长三角地区，建筑物夏季供冷的时间要比冬天供暖的时间长约1个多月，供冷负荷的绝对值也要比热负荷的绝对值高出近1倍，越在供冷为主的地区这种差异越大。这样系统长期运行后积累的热量会引起土壤温度逐年上升，严重时可以造成夏季高峰负荷期土壤换热器内循环冷却水温达40℃以上，引起热泵机组的制冷效率严重降低。因此土壤源热泵系统设计需要进行土壤热平衡计算并采取组合措施，保证系统长期的运行性能。

2.土壤热平衡问题的影响因素

土壤换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，它以土壤导热为主，但还同时包括了土壤多孔介质中的空气、地下水体的自然对流以及地下水的迁移传热，因此土壤的热物性、含水量、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体物性、流速等都对单个土壤换热器的传热过程产生影响。对于土壤换热器中特定位置处的土壤，其温度变化还受临近位置多个土壤换热器温度波在该处的迭加。空调运行期间周期性变化的负荷输入加上过渡季节空调系统的停运，引起了土壤换热器周围的土壤温度场总处在“升温→降温→升温”的循环变化过程中。土壤的散热途径包括两方面，一方面为地下水迁移带走的，另一方面为土壤的热传导所带走的热量，散热的对象都是大地，由于大地本身具有足够大的容积，所以只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力，就可以保持全年的热平衡。

3.解决土壤换热器热平衡的一些简单措施

所以为了确保土壤的热平衡，比较好的设计是以冬季换热量来计算地埋管长度，而夏天地埋管不能承受的部分由其他冷却装置（喷泉或冷却塔），或通过主动制取生活热水来达到散热目的，这样既解决了散热问题又解决了热平衡问题。而且可以有效减少地下换热器规模，因而节省相当初投资。

当然，我们也可以按散热量或吸热量较多的季节来核算换热器的数量（长三角地区一般夏季散热量会较冬季吸热量多）。这样，只要设计能保持每年空调系统从地下取放热差值不超过土壤固有的散热能力，也可以保持土壤全年的热平衡。

图1 适用于北方                   图2 适用于南方