地源熱泵系統能效提升途徑

張育平，楊瀟，劉俊，劉博洋，湯伏蛟，譚憶秋

（1.陜西省煤田地質集團有限公司，自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026；2.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006；3.陜西中煤新能源有限公司，陜西 西安 710054）

中國為能源消耗大國，能源短缺與消耗的化石能源過高是限制中國實現可持續發展重要阻礙。據統計，2022 年全國能源消費總量為54.1×108t 標準煤，比2021 年增長2.9 %。其中，煤炭消費量增長4.3 %，原油消費量下降3.1 %，天然氣消費量下降1.2%，電力消費量增長3.6%[1]。2030 年前CO2排放達到峰值與2060年前實現碳中和的“雙碳”目標給中國新能源和可再生能源的開發利用帶來了機遇與挑戰，例如地熱能、太陽能、風能等可再生能源在近些年發展迅速。中國地熱儲量約為全球地熱儲量的1/6，以中低溫資源為主[2-3]。中國南方地區，淺層地溫梯度平均值為0.025 K/m，北方地區平均值為0.03 K/m，年可開采淺層地熱資源量折合約為7×108t標準煤[2]。淺層地熱能作為一種可再生資源，具有分布廣泛、資源豐富、穩定可靠、開發利用相對簡單等優點，逐漸被應用于交通業、建筑業、畜牧業、農業等領域。北京大興機場流體加熱系統等工程研究表明，地源熱泵系統的合理運行可在滿足終端道路除冰雪需求的基礎上達到節能減排的效果，助力中國機場交通基礎設施在保障飛機滑行安全的同時實現“雙碳”戰略目標[4-5]。地源熱泵系統（Ground Source Heat Pump System，簡稱GSHPS）以地熱能作為冷源或熱源，通過熱泵機組將冷源或熱源輸送至用戶端，達到節能目標[6]，比傳統空氣源熱泵（Air Source Heat Pump System，簡稱ASHPS）可節省約40 %的能耗[7]。近年來，中國淺層地熱能的開發利用增速較高，總裝機容量在2020 年底已達到2.6×104MW，連續20 多年處于世界領先地位[8-9]。地埋管是地源熱泵系統的核心組成部分，合理提升地埋管換熱效果對推廣地源熱泵系統具有重要意義[10]。

地源熱泵系統由于氣候條件、使用場景、運行策略等差異而具有不同的冷熱負荷。對于加熱為主的地埋管群熱泵系統，如中國北方流體加熱型融冰除雪路面（圖1），寒冷季節埋管取熱量大于夏季釋放到巖土中的熱量，造成第二個采暖季開始時巖土體溫度不能恢復到第一個采暖季開始時的溫度，從而使巖土體溫度下降，且可能出現巖土體溫度逐年下降的現象。反之，對于制冷為主需求，大量熱能將會在炎熱季節釋放到地下空間，導致熱堆積，而采暖季節不能將巖土體溫度降低到初始狀態，進而出現巖土體溫度上升現象。單一加熱或制冷地源熱泵系統常導致地溫異常，削弱熱泵系統能效，兩者共同作用有利于巖土體溫度恢復，然而冷熱負荷不匹配仍可導致巖土體溫度場失衡現象[11]。地源熱泵系統在長期制冷或供熱負荷不平衡的運行工況下可造成巖土體溫度無法恢復到起始溫度，且這種不平衡現象一般會隨地源熱泵系統的使用年限而加劇，出現巖土體高溫或低溫導致的熱源或冷源積聚現象，進一步引發地源熱泵系統在運行期間的節能特性逐年降低，甚至在短期內造成地源熱泵系統因節能特征不滿足要求而被迫關閉[12]。

圖1 路面除冰雪型地源熱泵系統（據文獻[4-5]修改）Fig.1 Ground source heat pump system in pavement heating

地埋管群管設計不合理、不采用輔助冷源和熱源、系統運行控制策略不佳是導致地源熱泵系統性能下降的主要因素。針對冷熱負荷提出相對應熱源和冷源積聚區域，解決辦法是解決巖土體溫度場不平衡現象以及提高系統能效的關鍵。近年來，有諸多關于地埋管群地源熱泵系統優化方案的研究，主要包括地埋管群優化設計方法、地下儲能和去能方法、輔助熱源和冷源方法與冷熱負荷管理方法等。GULTEKIN 等[13]研究了埋管群排布方式對地埋管群綜合換熱能力的影響，結果表明，采用直線型埋管排布方法可有效減輕地下溫度場不平衡現象，該研究結果證明地埋管群優化設計可以有助于維持地下巖土體的溫度均衡。NARANJO-MENDOZA 等[14]研究了地源熱泵系統儲能效果，超過一年半的實驗結果表明，跨季節將太陽能通過地埋管等方式存儲于地下介質，有利于實現地下溫度場平衡，從而提高系統能效，說明通過將熱源或者冷源存儲于地下空間對保持地下巖土體溫度平衡有積極作用。SI 等[15]采用TRNSYS軟件模擬了北京地區太陽能-地源熱泵系統加熱能效，研究結果表明，太陽能集熱器-地埋管串聯運行模式與太陽能集熱板-地埋管晝夜儲能分配模式較單地源熱泵系統具有更優性能，且運行10 a后太陽能集熱器-地埋管串聯運行模式系統地溫下降0.8°C，表明在地源熱泵系統之中采用輔助熱源或冷源方法有利于提高地源熱泵系統性能。LAZZARI等[16]研究了無地下水滲流作用影響下地埋管群在50 a運行期間的能效表現，研究結果表明，單-冷熱負荷工況是造成地源熱泵系統性能逐年下降的重要原因，可見合理的終端冷熱負荷是提升地源熱泵系統節能水平有效的手段。

結合最新研究成果，綜述提升地源熱泵系統性能的關鍵因素，重點從管群設計、地下儲能和去能、輔助熱源和冷源、系統運行控制策略等方面對巖土體溫度場與地源熱泵系統能效的影響進行歸納總結。

1 管群優化設計方法

地埋管系統設計因素主要包括地質條件、初始地溫、地埋管間距、地埋管管型結構與排布方式、冷熱負荷、埋管深度、鉆孔回填材料、管內載液及運行工況等，主要影響因素為埋管間距、排布方式、終端冷熱負荷。重點介紹地埋管群埋管間距與管群幾何模型對地源熱泵換熱系統的影響及可優化途徑。

地埋管內部載液主要通過熱對流與周圍巖土體進行熱交換，傳遞到巖土體中的熱量在無地下水作用下主要通過熱傳導向遠端巖土體擴散。在同工程地質與設計參數相關的條件下，地埋管群管間距越大，管間溫度場相互干擾越小。管間距推薦值與工程地質條件及管群負荷密切相關，在實際工程中應當采用熱響應測試方法調查巖土體熱物理參數與水文參數，并根據地源熱泵系統季節性冷熱負荷對管間距做出綜合判定。由于工程地質調查與驗算工作存在投資大、計算專業性強等特點，不同國家和地區對管間距推薦值做出國家或者行業內的規定，而這些規定采用的管間距標準存在差異。例如，瑞典規范規定管間距推薦值為20 m，德國為5～6 m，而中國為3～6 m[17]。管群間距小可增加單位面積內埋管數量，然而同樣造成管間熱干擾增加，加劇巖土體溫度場不平衡現象，最終造成地源熱泵系統能效降低[8-10]。

目前存在較多關于地埋管群排布方式的研究，主要集中于管群整體布設形狀。研究結果表明，在同樣數量地埋管的基礎上，長寬比顯著（圖2）的布管模式利于減小管間熱干擾，降低地下溫度場失衡水平，進而提高地源熱泵系統能效[13]。例如，等地埋管數量的地源熱泵系統采用直線排布方式比長方形方式更利于維持巖土體溫度平衡，長方形布管形狀優于正方形布管模式，正方形排布形狀的地埋管群較圓形排布的地埋管群換熱效果更加優異[18]。研究表明，埋管群采用直線排布時地源熱泵能效（Coefficient of Performance，簡稱COP）5 a平均值較正方形排布模式在制冷模式下可提高12%，在加熱模式下可提高16 %[19]，定區域下地埋管排布方式對地源熱泵系統性能的影響可忽略不計[20]。地下水滲流作用同樣對管群布管形式有一定影響，在無地下水滲流作用影響的前提下，適當提升地埋管群外側埋管冷熱負荷配比有利于通過邊緣地埋管將積聚熱量傳至遠端，進而提升地源熱泵系統能效；在有地下水滲流作用工程地質條件下，地埋管群周圍巖土體溫度場受地下水流速及流動方向的影響，增加外側及下游地埋管負荷，有利于利用地下水滲流產生的熱對流作用帶走不平衡溫度，利于巖土體溫度場平衡，進而提升地埋管群換熱效率[21]。根據地埋管群熱干擾特點，管群中心區域巖土體溫度在無地下水作用下由于積聚的熱量難以向周圍巖土體擴散，受干擾嚴重。因此，地埋管群中心區域布管數量相對稀疏，有利于提高地下巖土體溫度平衡[22]。

圖2 不同的地埋管群布置方法Fig.2 Different underground borehole heat exchanger array layouts

因此，增加地埋管群管間距與直線排布方式可緩解巖土體溫度不平衡現象，提升地源熱泵系統能效。地下水滲流作用下可通過提高外側埋管負荷緩解巖土體溫度不平衡問題。實際工程中，地埋管排布方式受到地域條件限制，在限定區域內研究更合理的管群排布方式對于提高地源熱泵系統能效具有更強工程意義。研究結果表明，采用W 型和雙U 型地埋管也可以在一定程度上提升地源熱泵系統能效[19]。盡管通過增加埋管間距、埋管排布優化布置等管群設計方法有利于減小地埋管之間的相互擾動造成的熱泵系統能效降低問題，此類方法僅適用于巖土體溫度場受擾動較小工程，對于冷熱負荷不平衡較嚴重地源熱泵系統而言，僅增大地埋管設計間距與優化布置方法不足以解決巖土體溫度場不平衡問題。

2 儲能和去能方法

儲能方法可通過地埋管群等途徑把傳統化石燃料、太陽能、工業廢熱等熱源存儲于巖土體等介質。相反，去能方法可通過地埋管群等方法將冷源存儲于巖土體等介質。此類方法可減輕巖土體溫度場不平衡現象，提升系統綜合能效。

儲能方法一般適用于地埋管全年取熱量大于全年放熱量場景。該方法可通過地埋管群將太陽能、工業廢熱等外部能量存儲于巖土體等介質。相變材料（Phase Change Material，簡稱PCM）具有在相變發生時可放出或吸收大量熱的特性。因此，相變儲能技術有應用于地源熱泵系統的潛力，應對地下溫度場熱不平衡問題。

相反，對于年均熱負荷低于冷負荷工程，系統長期運行可導致巖土體熱負荷集聚，降低地源熱泵系統制冷性能。因此，采用適宜的去能方法降低地下溫度場或采用輔助手段減少地埋管系統總散熱量是提升制冷為主型熱泵系統性能的重要途徑。

2.1 儲能方法

對于供熱為主地區，通過將太陽能、工業廢熱等能源存儲于巖土中可用于冬季采暖。早在20 世紀80年代，瑞典與國際能源署（International Energy Agency，簡稱IEA）率先進行了大規模地下跨季節儲能系統的研究。目前，美國、瑞典、德國、丹麥等國家均已建成基于跨季節儲能技術的區域供熱系統[23]。管群儲能介質為巖土體，通過地埋管內部載液流動將太陽能、工業廢熱等能量存儲于地下巖土體，世界各國部分關于地埋管群儲能技術的研究見表1。其中，位于中國內蒙古自治區赤峰市的儲能示范工程是中國最大的地埋管儲能工程（圖3），該示范工程通過地埋管群將低品位工業余熱與太陽能存儲于土壤中，并實現能源跨季節利用。研究結果表明，該工程熱能跨季節利用可將巖土體平均溫度提升超過25°C[24]。

表1 地埋管儲能技術研究匯總（據文獻[24-35]修改）Table 1 Summary of technical research on BHE thermal storage

圖3 赤峰地埋管儲能工程簡圖（據文獻[36]修改）Fig.3 Schematic diagram of Chifeng buried pipe thermal storage project

2.1.1 太陽能儲能方法

近年來，太陽能已經被廣泛應用于建筑供暖、供電，在日照充足地區，多余的太陽能可通過地埋管換熱器將能量儲存于地下，提升巖土體溫度，緩解由于冬季供暖期地源熱泵采熱作用導致的巖土體溫度急劇降低的現象，提升地源熱泵系統能效[14,37]。太陽能光伏板不僅可以通過地埋管群將能量存儲于巖土體中實現跨季節利用，還能通過地埋管群-光伏板系統載液冷卻作用降低光伏板溫度提高溫差，進而提高太陽能發電效率，達到一舉兩得的效果（圖4）[38]。BERTRAM[39]研究了太陽能（15 m2光伏板面積）與地源熱泵（90 m 埋管深度）耦合效應，研究結果表明，地源熱泵系統可以通過載液作用提升光伏板溫度差，提高10%的光伏電產量。同時，太陽能光伏板產生的余熱可被用于巖土體能量補充，緩解巖土體溫度場由于供熱季巖土體溫度下降導致的地源熱泵系統效率低下的問題。BAKKER 等[40]研究得出光伏板可提供巖土體溫度場83%的恢復用能，并可以在地源熱泵長期運行過程中保持巖土體溫度平衡。對于冬季耗能高的地區，太陽能可通過季節性地埋管換熱作用提高寒冷地區巖土體溫度，提升地源熱泵系統冬季供熱能效，朱大龍等[41]通過TRNSYS 模型分析得出太陽能季節性蓄熱作用可有效解決寒冷地區地源熱泵系統的冷熱不平衡問題，使地源熱泵系統能效提升8.6%。常見的太陽能-地熱協同作用模式如圖4所示。

2.1.2 空氣熱能儲能方法

夏季較冬季有更高的空氣溫度，空氣熱能可以通過地埋管群跨季節存儲于巖土體，緩解地下溫度場不平衡導致的地源熱泵系統能效降低問題。YOU等[42]提出了一種跨季節存儲空氣熱能的方法，該方法將空氣源熱泵、空氣源熱虹吸管與地源熱泵相連，研究結果表明，該方法可節省約15%的地源熱泵系統耗能?；茉吹确椒ㄒ部捎米鞯叵聝δ?，然而由于環境污染、能源消耗量高等不利因素需要進行充分考察。

綜上所述，地下儲能途徑是高效解決巖土體溫度場不平衡的方法，建議在工業產能充足的地區，將工業余熱存儲于巖土體；在氣候條件良好，光照充足的地區可直接將太陽能作為地熱能的補充；在夏熱冬冷，供熱需求高的地區，可將夏季空氣熱能用于地下儲能。以上儲能方式都是將巖土體作為儲能介質，在有地下水流動的工程地質條件下應當慎重考慮其可行性。一般而言，地下水滲流由于地下水與地埋管之間存在的熱對流作用，管群換熱能力得以增強；但地下水流動同時可帶走儲存能量，造成事倍功半的后果。因此，地下儲能措施應因地制宜、科學論證。

2.1.3 相變材料儲能技術

相變材料在相變過程中可吸收或者放出熱量，儲能方法可以通過相變材料的這種特征實現能量跨季節存儲，進而平衡巖土體溫度，提升地源熱泵系統性能。相變材料是減少能源供需在時間、地點和強度上不匹配的有效方法[43]，主要用于太陽能發電系統、余熱回收等領域，具有溫度恒定、儲能密度高等優點，可為地源熱泵系統提供更加穩定的工作條件[44]。

在地埋管群中，相變材料一般用于鉆孔回填材料（圖5）。采用酸、增強酸和石蠟等相變材料對鉆孔進行回填可在地源熱泵系統運行期間通過減小地埋管熱效應半徑的途徑提升地源熱泵系統性能[46]。除直接采用相變材料對地埋管鉆孔進行回填外，微膠囊相變材料可通過與土混合的形式進行鉆孔回填。DEHDEZI 等[47]采用實驗方法研究得出，微膠囊相變改性土壤回填材料可提高17 %的地源熱泵系統能效。雖然相變回填材料灌漿與微膠囊相變回填材料都可以在一定范圍內有效維持巖土體溫度平衡，但是這2 種應用相變材料的方法只能在有限范圍內提升地源熱泵系統能效，且存在污染環境與提升成本風險。

圖5 相變回填材料（據文獻[45]修改）Fig.5 Phase change backfill material

相比鉆孔回填相變材料，相變材料儲罐能優化地埋管管群設計，并顯著縮減儲罐占用空間，地源熱泵可與相變材料儲罐協同用于終端制冷與供熱，該系統主要組件為熱泵、相變材料儲罐與地埋管，典型地源熱泵與相變材料儲罐構成如圖6 所示[48]。ALKHWILDI 等[48]分析得出鹽水混合物相變材料儲罐可有效減小地埋管尺寸。BONAMENTE 等[49]的研究結果表明，相變材料可將正常儲罐的尺寸縮小至原來的十分之一，并可提升地源熱泵系統能效。

圖6 相變材料儲罐裝置（據文獻[48]修改）Fig.6 Phase change material storage tank device

除以上相變材料儲能方式外，相變材料地下熱電池（Underground Thermal Battery，簡稱UTB）受到廣泛關注（圖7）。UTB 可增加水箱水與周圍土壤之間的熱交換，該電池中部配備螺旋式換熱器，由埋在地下的水箱組成，少量相變材料放置在熱交換器和罐壁之間的環形空間中。UTB 由于埋深淺的特點可以減少系統初期成本，且在系統的短期運行中可以提供較穩定釋放和吸收熱量的有效速率[50]。

圖7 地下熱電池（據文獻[50]修改）Fig.7 Underground thermal battery

2.2 去能方法

對于年均熱負荷低于冷負荷工程，系統長期運行可導致巖土體熱負荷集聚，損害地源熱泵系統制冷性能。因此，采用適宜的去能方法降低地下溫度場是提升制冷為主型熱泵系統性能的重要途徑。

同儲能方法相似，去能方法可以通過地埋管群將季節性冷能（冬季）儲存于巖土體、地下儲罐等。同時也可以使用相變材料達到去能效果。然而采用去能方法冷卻巖土體應當充分考慮地下水方向與流速，避免地下水帶走儲存于巖土體中冷能。

3 輔助熱源或冷源

對于冷熱負荷平衡的地源熱泵系統，周期性地下溫度場較均衡，在使用壽命周期范圍內系統能效良好；而冷熱負荷不平衡現象嚴重的系統則會出現巖土體溫度場異常。根據冷熱負荷需要，可采用輔助熱源或冷源裝置平衡巖土體溫度。輔助熱源設備包括鍋爐、太陽能集熱器、工業廢熱回收等，輔助冷源設備可為冷卻塔、儲冰罐、流體冷卻器等。輔助熱、冷源地源熱泵系統在運行階段可以調節地源熱泵單元加熱、冷卻負載，并在負荷需求高峰期提供熱、冷源，滿足終端需求，提高地源熱泵系統長期性服務品質。

3.1 輔助熱源

輔助熱源主要應用于融冰除雪流體加熱路面、建筑供暖等供熱不足工況。由于冬季供熱大于夏季制冷，淺層地熱資源開發造成巖土體溫度失衡，影響系統能效。因此，可采用輔助熱源方法對終端能量進行補充。

化石能源為傳統輔助熱源，對于以鍋爐為主要供熱源的終端系統或熱不平衡程度較低的地區，鍋爐-地源熱泵系統具有可行性，且初期投資低，易于實現。通過研究燃氣鍋爐輔助式地源熱泵系統，NI等[51]分析得出，地源熱泵與燃氣鍋爐分別承擔60 %與40%熱負荷時此系統可實現最佳經濟價值。以太陽能為主的綠色輔助熱源可為中國“雙碳”目標提供解決方法。應用太陽能集熱器于地源熱泵系統可解決太陽能集熱器產熱不穩定與巖土體溫度場不平衡的問題。研究結果表明，太陽能輔助式地源熱泵系統能效比傳統地源熱泵系統高出15%，利于巖土體溫度平衡[52]。

常見的太陽能-地熱能混合式熱泵系統按照工作模式可分為混合工作模式與并行工作模式（圖8）[44]?；旌夏Ｊ较碌芈窆芘c太陽能集熱器串聯，混合工作模式根據載液流經先后順序不同分為2種運行模式，即先地埋管后太陽能集熱板（圖8a）與先太陽能集熱板后地埋管（圖8b）模式。

圖8 太陽能集熱器-地埋管工作模式（據文獻[44]修改）Fig.8 Operation mode of solar collector and buried pipe

地鐵、煤電廠、變電站、計算機服務站等特殊場所的運營可聚集大量余熱，可作為輔助熱源補充。對于高溫隧道而言，采用地源熱泵方法從隧道內部獲取能源不僅可以達到廢熱利用效果，也可以降低隧道內部溫度，提高隧道服役壽命。胡松濤等[53]采用數值模擬方法研究了毛細管壁面換熱器的降溫效果，研究結果顯示，隧道表面鋪裝毛細管換熱器有利于改善地鐵熱環境，且地溫在地源熱泵系統工作10 a 后與初始溫度基本保持一致，表明地源熱泵系統可以有效減少熱量積聚效應并保持隧道熱平衡。

以上介紹了以化石能源、太陽能、工業余熱為主的3種輔助熱源形式，合理應用輔助熱源可促進巖土體溫度場平衡，提升系統能效。在實際工程應用中，如果初期投資成本低，可選擇易于實現的化石能源作為輔助熱源，但要考慮化石燃料可對環境造成破壞；如果當地氣候條件良好，光照充足，則建議將太陽能用作輔助熱源，太陽能以其綠色、可持續特征已成為輔助熱源的重要形式；如果當地有充足的工業產能支撐，建議直接將工業廢熱作為輔助熱源。

3.2 輔助冷源

輔助冷源主要應用于制冷為主地區，其特征主要表現為夏季冷負荷需求高于冬季，地埋管在夏季向地下空間注入的熱量比冬季從土壤中提取的熱量多，導致地源熱泵系統性能在長期運行過程中因為地下溫度升高而降低。

冷卻塔可有效緩解地埋管單獨制冷導致的巖土體熱堆積問題，結合冷卻塔的地源熱泵系統利于維持巖土體周期性溫度平衡，為最常用的地源熱泵系統輔助冷源方法[54-55]。地埋管與冷卻塔主要通過2種方式（串聯與并聯）協同作用，第一種方式為并聯模式（圖9a），工作流體分別安裝在冷卻塔與地埋管回路中，不相互交接；第二種方法為串聯模式（圖9b），即工作流體先經過冷卻塔預冷，然后流入地埋管進一步釋放熱量。朱立東等[57]建立了冷卻塔-地源熱泵混合系統的非穩態數學模型，研究表明，并聯冷卻塔與地埋管比串聯更有助于提升系統能效。

圖9 冷卻塔與地源熱泵協同工作模式（據文獻[56]修改）Fig.9 Cooperative working mode of cooling tower and ground source heat pump

除冷卻塔外，蓄冰槽也常被應用于混合式地源熱泵冷卻系統。HSIAO 等[58]通過實驗方法研究了地源熱泵-蓄冰槽混合系統性能，實驗結果表明，地源熱泵-蓄冰槽系統能效在放熱模式下可提升約15%的地源熱泵系統性能，然而蓄冰槽在水—冰相變過程中放熱與吸熱負荷難以穩定。相較于蓄冰槽方法，冷卻塔方法更穩定，在兩者投資成本與效果差距不大的工況中，可考慮將冷卻塔方法作為首選的輔助冷源方法。

4 運行控制策略

地源熱泵系統在運行階段應當以可靠性、經濟性和節能性3個方面指標為要求，這些指標與系統載液溫度有密切關系。因此，為了達到3個方面指標要求，系統載液溫度應控制在一定工作范圍。工程中可以通過設定熱泵機組的工作保護機制控制載液溫度，埋管回流機組的載液溫度在制冷工況下不宜高于40°C[59]，而地埋管出水溫度在加熱工況下不宜低于-1.5°C[60]。地源熱泵系統載液溫度與其承擔的負荷聯系密切，過大負荷可能造成系統性能下降。終端負荷可用式（1）表示[57]：

式中:Cwzi為負荷區熱容，單位kJ/°C；Twzi為系統用戶端入口溫度，單位°C；t為系統運行時間，單位h；u1d為每日控制信號；u2y為季節控制信號；c1為用戶端水的比熱，單位kJ/（kg·°C）；u4v為用戶端流量信號；Gy為用戶端最大流量，單位m3/h；Twzo為系統用戶端出口水溫，單位°C；Qj為負荷，單位kW·h。

地源熱泵系統運行控制策略對保障巖土體溫度季節性平衡有重要作用，合理的系統運行策略是防止地源熱泵系統能效顯著降低的關鍵措施。

4.1 峰點冷熱負荷運行管理

峰值負荷對地埋管地下溫度場影響顯著，降低峰值負荷可對緩解巖土體溫度場不平衡起到積極作用。通過采用輔助熱、冷源方法與提前預熱方法可有效降低地源熱泵系統峰值負荷。

通過數值分析與實驗方法研究，MENSAH 等[61]發現當終端峰值負荷下降可顯著減小地埋管設計深度，當峰值負荷下降40%時，地埋管深度在加熱模式可縮短69.2%，在制冷模式可減少44.5%。因此，峰值負荷的下降對減小地源熱泵系統初期投入有積極作用。由于峰值負荷對地源熱泵系統性能影響顯著，采用提前預熱等技術性手段應對峰值負荷可以有效降低峰值負荷對系統性能的影響。CARVALHO等[62]提出了一種結合峰值冷熱負荷與時間的運行策略，該策略通過終端預熱方法將地源熱泵的部分運行周期排除在非高峰期，使電力成本降低34 %。ALAICIA 等[63]提出了的峰值負荷管理模式（圖10），可減少15.0 %碳排放量、58.5 %峰值功耗、16.4 %的運營成本。

圖10 基于運行時間與峰值負荷的地源熱泵系統運行策略（據文獻[63]修改）Fig.10 Workflow of GSHPS operation method based on operation time and peak load

4.2 間歇性運行方案

地源熱泵系統連續運行可造成地下溫度場恢復不及時，加劇地下溫度場失衡現象。區別于連續運行模式，間歇性運行模式指地源熱泵系統不連續工作，巖土體溫度在系統間歇期間恢復到一定程度，從而緩解地源熱泵系統負荷造成的系統性能顯著降低的現象，針對系統進行優化的間歇性運行模式可以使巖土體溫度場不均衡問題得到有效緩解[64-66]。

間歇時間越長，巖土溫度恢復效果越好。袁艷平等[67]研究了3 種不同的間歇運行模式對U 型管單位長度換熱量的影響，研究結果表明U 型管單位長度換熱量在“14+10（運行14 h，停機10 h）、12+12（運行12 h，停機12 h）、10+14（運行10 h，停機14 h）”3種運行模式下分別比連續運行模式高45.57 %、58.43%、88.05%。不同類型地埋管在間歇運行條件下對換熱性能的影響具有差異性。Jalaluddin 等[68]通過實驗研究了單U 型、雙U 型和多管型3類地埋管換熱器在制冷模式下連續運行和間歇運行的換熱性能，并對2 種間歇運行模式（采用單日運行6 h 和12 h）的3 種換熱器換熱能力進行了研究，結果表明，采用6 h運行策略的單U管、雙U管、多管熱交換率分別提高了32.6%、39.8%、32.1%，采用12 h運行策略的U 型管、雙管、多管熱交換率分別提高了14.0 %、15.1%、13.9%。

間歇運行方案要求地源熱泵系統在某一時段停止運行，停止運行時間與地源熱泵系統換熱性能呈正相關聯系。應根據工程實際需求合理設計地源熱泵系統停止運行時間，使得巖土體熱不平衡問題得到有效緩解，同時避免因地埋管群供冷熱不足引起的終端需求不滿足的問題。

4.3 分區管理

地埋管群在冬夏季常發生由于冷熱不均衡導致的地下溫度場異?，F象，進而導致地源熱泵系統效率降低。由于地埋管群埋管眾多，可根據終端冷熱負荷對地埋管群進行分區運行管理，達到降低地下溫度場不平衡預期目標。

氣象條件等因素變化決定地源熱泵系統存在動態負荷運行工況，其季節性負荷特征由日負荷特征構成，負荷動態變化地源熱泵系統可采用分區調節策略進行優化，對管群中間部分埋管進行負荷管理能明顯提升管群能效[69]。針對夏季冷負荷高于冬季熱負荷地源熱泵系統，夏季制冷工況可導致巖土體溫度升高，達到巖土體夏季儲能的效果。供冷期過后，巖土體溫度逐漸恢復，而中心部分恢復較慢，在供熱季開始之前仍具有較高溫度。因此，有研究結果表明冬季僅運行地埋管群中心部分埋管可有效緩解巖土體熱不均衡現象，該分區方法對較小巖土體熱導率工程地質情況更為有效[18,70]。針對地埋管群運行期間導致的溫度場時空差異，采用管群分區運行方案可作為管理地下溫度場的潛在途徑，有研究結果顯示采用地埋管群分區優化運行策略可減輕地源熱泵系統峰值負荷造成的巖土體溫度場不平衡現象[71]。YOU 等[72]針對北京地區建筑研究了不同分區操作策略對地源熱泵系統性能的影響，研究結果表明向樁群中心集中注入熱量或從樁群外層提取熱量可以緩解地下溫度場不平衡現象，且與傳統策略相比，分區運行策略可以實現良好的系統能效。吳晅等[73]提出了基于地埋管群的全年蓄熱取熱同步運行模式，即管群中既有蓄熱管，又有取熱管，并采用有限體積法研究了全年地埋管管群蓄熱取熱同步模式下的巖土傳熱特性，研究結果表明，地埋管群全年蓄熱取熱同步模式可使巖土體溫度得到快速恢復，進而緩解巖土熱失衡問題，且取熱地埋管與蓄熱地埋管交叉排布時系統性能更優異。

4.4 系統控制運行策略

地源熱泵系統控制方法根據溫度設定打開或者關閉熱泵，這種類型的控制為基于規則的控制，即根據指令模擬專家決策過程，也稱為專家規則系統，該方法可根據系統狀態觸發不同的動作。對于有輔助熱源或冷源地源熱泵系統而言，該控制系統可以決定某種狀態下外部熱源或冷源的應用。對傳統控制策略而言可以通過5種方法對控制系統進行改進：優化溫度設定值、進程優化、優化控制參數、采用更加復雜控制方法、地埋管運行方式與系統架構相適應[74]。

CORBERAN 等[75]將熱泵加熱、冷卻能力及能效視為因變量，將循環泵速度、壓縮機速度、接地回路返回溫度、終端回路返回溫度作為自變量，通過控制終端回水溫度等變量，研究了不同控制優化策略對地源熱泵系統性能的影響。MOKHTAR 等[76]提出了一種智能終端管理系統以改進地源熱泵系統控制策略，研究結果表明，該智能管理系統能夠通過分析、預測和協調其他能源來有效利用地源熱泵系統，并保持地下溫度場平衡。MADANI 等[77]通過使用動態模擬模型比較了恒定滯后、浮動滯后、溫度差-時間方法3種控制策略下的地源熱泵系統性能，模擬結果表明無論氣候邊界條件如何，采用溫度差-時間法控制的系統向終端供水的平均溫度接近所需溫度，采用恒定滯后法的系統平均供應溫度高于或低于所需溫度。CHIASSON 等[78]研究了地源熱泵系統的運行控制優化方法，并得出采用運行優化策略可以有效降低地源熱泵系統成本。除以上控制方法外，基于人工神經網絡、遺傳算法等的機器學習方法也逐漸被應用于地源熱泵系統。GANG 等[79]基于冷卻塔與地埋管出口溫度，通過人工神經網絡人工智能算法實現了冷卻塔-地源熱泵混合系統運行的優化控制。地源熱泵控制策略要求對地埋管群進口溫度、地埋管群出口溫度、終端回路溫度、壓縮機速度、載液流速等參數有量化指標。因此，安裝精度高的傳感器與監測設備對各控制指標進行監測是系統優化控制運行策略的重要數據基礎。

5 結論

介紹了地埋管群地下溫度場不平衡問題解決方法（地埋管群設計、儲能或去能方法、輔助冷熱源、系統運行控制策略），得出結論如下：

1）對于冷熱負荷微弱不均衡導致的巖土體溫度場不平衡現象，可通過優化地埋管設計方法解決此問題。優化方法簡單概括為：增大埋管間距、調整埋管深度、采用優化布管方法（直線型、外密中疏型等）。然而地埋管群受用地規劃限制，通過優化埋管設計方法通常不能徹底解決地下溫度場不平衡問題。

2）由冷熱負荷一般不均衡導致的地下溫度場不平衡現象，可通過儲能、去能方法對巖土體溫度場進行管理，達到解決地下溫度場不平衡的目標。工程中面臨可安裝太陽能板面積少、工業廢熱地域限制大、化石能源代價高等問題，通過地下儲能、去能方式解決地下溫度場不平衡問題時需要因地制宜，充分論證。

3）輔助熱、冷源可以利用化石能源、太陽能、工業廢熱、冷卻塔等方法直接對終端冷熱負荷進行補充，減少地埋管能耗，緩解地下溫度場不平衡問題。通過經濟、環境保護等指標確定地源熱泵所占終端冷熱負荷比例是合理利用輔助冷熱源方法的關鍵。

4）對地源熱泵系統負荷進行峰值管理、間歇性運行、分區域管理等可對平衡地下溫度場起到積極作用。采用諸如機器學習等方法針對整個供熱、制冷系統（壓縮機、循環泵、接地回路、終端回路等）進行優化控制是進一步提升地源熱泵系統性能的重要舉措。

5）根據實際負荷需求并采用針對性的地埋管群設計優化方法，儲能或去能方法，輔助冷熱源方法與系統運行策略是有效提升地源熱泵系統能效的重要途徑。