浅层地温能即浅层地热作为一种清洁高效、使用成本低的可再生能源，受到工程师和科研工作者的广泛关注和深入研究。在西欧、北美等地区，地源热泵系统得到了广泛应用^[1-2]。中国发布的《中国地热产业高质量发展—2023年世界地热大会中国国家报告》^[3]指出：截至2021年底，中国地热供暖制冷能力达到13.3亿m²，其中浅层地热为8.0亿m²。随着近年来社会各界对“碳中和”的关注日渐提升，国家能源政策对可再生能源的利用也非常重视，浅层地热这一清洁能源的研究和应用焕发出新的活力。《北京市“十四五”时期能源发展规划》^[4]提出：到2025年全市将新增浅层地源热泵供暖面积2 000万m²。但是，完善规范的浅层地热开发利用管理流程在中国尚未建立，相关的工程应用和运营问题也一直是专家学者们讨论的热点。

对于钻孔埋管地源热泵系统，由于单一管井的换热能力有限，在大型商用建筑、住宅类建筑以及公共基础设施中通常使用多组地埋管组成的大型地源热泵系统来满足供暖制冷需求^[5]。在长期换热中，由于相邻孔之间的热干扰，尤其是在孔间距较小时，系统换热的稳定性相对较差^[6]。值得关注的是，随着使用年限的增加，如果运营维护不当，系统面临的风险也在增加。《“十四五”可再生能源发展规划》^[7]建议在满足土壤热平衡情况下积极采用地埋管地源热泵供暖制冷。

针对地源热泵系统中钻孔埋管换热器的长期稳定性，很多学者采用数值模拟或试验方法进行了深入研究。Olgun等^[8]发现建筑所在地区纬度决定了建筑冷热负荷的差异，长期运行时冷热负荷不同会显著影响地温变化。Abdelaziz等^[9]发现冷热负荷不均衡会导致系统产出水平降低，降低幅度在系统运行前几年非常明显，随着运行时间的延长，会逐渐减小；还研究了系统内传热介质温度变化对热泵效率的影响，当传热介质温度相对于初始状态发生较大变化时，热泵的工作效率将会降低。Rybach等^[10]发现在冷热负荷差异较大时，尽管埋管附近地温将逐年升高或降低，但是变化幅度会逐年减小。You等^[11]发现对于不同地区的建筑物，运行10 a后，平均土壤温度可能会降低3.0~12.0℃，性能系数(COP)会降低约0.5~2.2。孙婉等^[12]对上海某高校地源热泵工程换热区内外地温场进行了3 a监测，发现地埋管换热器的影响半径为6.0~9.0 m，使用其他复合能源可以实现地埋管换热器取排热基本平衡，避免出现热堆积。游田^[13]提出采用补热机组耦合供暖运行模式，在维持土体热平衡的同时，耦合供暖使得尖峰负荷的供热能力大幅提高。

北京某住宅小区暖通系统为复合式，即地源热泵系统与冷水机组、冷却塔和燃气热水锅炉协同工作。2014年冬季开始启用地源热泵系统，到2020年秋季系统运营状况良好，一直没有启用其他暖通设备，但也暴露出一些问题。本文基于该系统运行以来的地源端部分供回水温度记录值，先对其运行情况进行分析与评估，指出存在的问题；再利用有限元程序对系统的长期稳定性进行预测，并结合该复合系统的特点，优化运行策略，以期规避风险。此案例中冷热负荷不均衡，运行数据仅记录了介质温度和流速，也未设地温监测装置，具有一定的代表性。针对该在用大型地源热泵系统的运行现状开展研究，对同类系统的现状评估和预测有较大参考价值。

1 工程概况 1.1 项目位置及地源热泵系统运行概况

小区位于北京西南五环外，用地面积3.386 hm²，项目规模101 521 m²。整个建筑体包含6栋高层住宅和6栋联排别墅，于2014年开始入住。此区域属于寒冷地区^[14]，建筑在冬夏两季分别有供暖和制冷需求，且冬季供暖负荷大于夏季制冷负荷。

小区地源热泵系统分53#地与54#地两处地源端独立运行。本文重点分析的54#地地源热泵系统有2台地源热泵机组，地源端回路由3台循环水泵(2用1备)提供动力，相关参数见表 1。

53#地和54#地分别有钻孔108和304个。钻孔深120 m，直径15~18 cm，间距3.6 m，呈长方形分布。钻孔内采用双U形埋管，并联连接。埋管采用高密度聚乙烯(HDPE)管，外径32 mm，内径26 mm。

1.2 地源端供回水温度特征

系统自运行以来，每隔2 h记录热泵冷凝器和蒸发器的进出口水温，因数据量大，实际上有不少缺失。图 1和2分别给出了53#地和54#地地源端供回水温度的记录。其中，53#地记录时段为2014年12月至2020年10月，缺少2015年12月、2016全年及2019年3月至9月的数据；54#地记录时段为2016年5月至2020年10月，缺少2017年1月、2018年11月至12月、2019年3月至9月及2020年5月至7月的数据。

由图 1和2可知，53#和54#地地源热泵系统地源端供回水温度的变化，具有如下不同特征：1) 供回水温度变化范围不同，53#地是4~33℃，而54#地是4~23℃；2) 53#地地源端供水温度变化更快，在各运行期内均表现为供水温度迅速达到安全限值，随后保持不变；54#地供水温度变化相对较慢，通常在运行期中段才达到极值，随后保持不变或者向地温方向变化。

1.3 地温

该项目在实施过程中未设置地温传感器。2020年11月在热泵机组开机前通过测量地源端供回水温度间接测量了埋管区域的平均地温，测得地温为13.00℃，比初始地温(2014年14.78℃)降低1.78℃。

1.4 换热功率

53#和54#地地源热泵系统的换热功率分别如图 3和4所示。换热功率计算如下：

$ p=\rho_{\mathrm{w}} c_w Q \Delta T . $

(1)

其中: ρ_w和c_w分别为水的密度和比热容，Q为供回水流量，ΔT为供回水温差。

由图 3和4可知，53#和54#地地源热泵系统在运行期内换热功率的变化基本呈现出冬季取热功率大于夏季排热功率的特征。两者不同之处表现在：1) 冬季运行期：53#地取热功率峰值出现在运行期刚开始几天，54#地则出现在运行期中段(气温最低时期)；2) 夏季运行期：53#地排热功率变化幅度大，且多有停机现象，呈现间歇性运行的特点；54#地排热功率变化相对较小，呈现连续运行的特点且最大值出现在运行期中段。两地块出现这种供水温度和取/排热功率特征差别的主要原因在于，两地块内埋管数量差别巨大但实际承担冷热负荷水平接近。

1.5 系统运行效率

本系统冬季运行时的能量消耗比较大。主要原因是：地源端换热工质温度降低至4℃左右时，又开启了1台循环水泵和1台热泵机组。这样，增大了回路内换热工质流量，减小了换热工质与管壁之间的温差，从而在遏制换热介质温度降低的同时保证了取热功率维持在一定水平。然而，增大流量维持水温会使系统进入“流量大、温差小”的低效率状态，大量电能用于维持系统运转，而直接用于热泵机组的电能占比降低。

综上所述，53#地运行周期内各钻孔承担换热负荷较大，换热工质温度变化大，且地源端供水温度在制冷季和供暖季均到达安全限值。而54#地夏季运行期内能独立承担对应建筑的制冷荷载，冬季运行期内也能承担对应建筑的部分荷载，但是在地源端换热工质最低温度制约下系统效率降低，且经过6 a运行后埋管区域地温有较明显的下降，需要对系统未来能否稳定运行进行预测评估。

2 地源热泵系统地源端模拟分析

54#地钻孔埋管数量大、间距近，群管效应明显。考虑到群管与单孔传热分析侧重点不同，本文建立了2个有限元模型。对土体热物性参数反分析时，采用热响应测试结果，用3-D实体单元以及管道单元对传热进行精细分析；而对地源端群管进行换热模拟时，由于钻孔数量庞大，3-D模型消耗时间和计算资源较多，因此对钻孔数量和热源形式进行简化处理，采用2-D有限元模型。

2.1 土体热物性参数反分析

钻孔埋管设计时进行了进口水温恒定的热响应测试，并测得了初始地温，但未给出土体的热物性参数值。文[15]基于MATLAB建立了3-D有限元模型，据此测试结果反演得到了土体综合等效热物性参数值。

所建有限元模型参照了ANSYS中的fluid116单元将埋管换热器抽象为线单元，并将流体与管壁的对流换热和管壁热阻进行了综合考虑^[16]，采用的等效对流换热系数为

$ h^{\prime}=\frac{1}{1 / h+d / 2 \lambda_p \ln (D / d)} . $

(2)

其中：h为不考虑管壁热阻的对流换热系数，详见文[17]；λ_p为换热管HDPE材料的导热系数，取0.42 W/(m·K)；D和d分别为换热管的外径和内径。

图 5为最终得到的回水温度模拟和实测结果，此时，土体的综合导热系数为2.4 W/(m·K)，体积热容为2.08 MJ/(m³·K)。

2.2 地源热泵系统群管运行分析 2.2.1 2-D有限元模型建立

将埋管换热器视为点热源，结合54#地的304个钻孔呈16×19矩形分布，考虑对称性，建立2-D有限元模型。在埋管区域外22 m处设置温度为14.78℃(初始地温)的恒温边界。网格划分如图 6所示，圆圈内为点热源位置。模拟时，负荷按钻孔每延米考虑，钻孔内部根据热阻获得供回水温度与钻孔管壁温度，钻孔外部温度按照瞬态传热方式计算。热阻的具体计算参见文[15]和[18]。

2.2.2 地源端冷热负荷反演分析

由于运行数据有缺失，为了获得该系统地源端近几年全部的负荷，需要对缺失数据进行合理推测。基于不同年份相同月份的负荷数据变化趋势及当年使用情况，首先对缺失月份的负荷进行预估，将其与已有记录月份的负荷一同导入模型，计算2016年以来地源端供回水温度，之后调整负荷估计值，直至有实测记录值的供回水温度与模拟结果相符。

补充缺失数据后，所得系统的换热功率如图 7所示，与图 4相比，补充前后数据特征接近。图 8对比了供水温度模拟与实测结果，符合良好，说明模型取值合理，所补数据合适。

由于管理人员运行经验增加，2017年以后系统取/排热总量明显提高，取2017—2019年数据作为样本分析地源端取/排热情况。如图 9所示，2017年两者偏差较大，2018和2019年均接近平衡。综合这3 a数据，年平均排热115.1万kW·h、取热137.3万kW·h，热不平衡率达到16.2%，超过了相关标准^[19]建议的无辅助热源时的限值(10%)。

2019—2020年冬季运行结束后，地温分布反演结果如图 10所示。埋管区域内温差不大，中心部分温度略低于外围，平均温度为13.00℃；埋管区域边界向外，温度分布呈现出先低后高的特点。出现这样温度分布特征，主要原因有2点：1) 埋管区域外温度变化较埋管区域内滞后，此时埋管区域外受之前冷堆积影响导致温度偏低；2) 多年来埋管区域取热量大于排热量，埋管区域整体温度降低。

2.2.3 地源端长期稳定性分析

基于2.2.2节地源端冬夏两季换热量，对2020年冬季及之后的地源端供回水温度和换热量进行分析预测。设定机组安全温度范围为4~33℃，开启1台循环水泵和1台热泵，当供回水温度超出此温度范围时再开启1台循环水泵。若开启2台循环水泵仍不能使供回水温度保持在安全温度内，则停机1 d。此举主要是为了防止频繁启停对机组造成损伤，同时也不会导致燃气锅炉供暖负荷突增，从而保证整个供暖系统的稳定。因此，可通过地温变化、停机情况和地源端换热量评价系统的长期稳定性。

考虑到近几年各运行期里换热功率均呈现先增大后减小的特点，利用二次函数对2017—2019年运行期内的日平均换热功率进行了拟合：

$ P_{\text {cool }}=0.0279\;t^2-3.57 t-350, \quad 0 \leqslant t \leqslant 136 \text {; } $

(3)

$ P_{\text {heat }}=-0.0867\;t^2+9.69 t+247, \quad 0 \leqslant t \leqslant 110 . $

(4)

其中：P_cool和P_heat分别表示冬季和夏季日平均功率，单位为kW；t表示从运行开始对应的时间，单位为d，冬夏两季分别运行136和110 d。

模拟未来5 a的运行情况，5 a里的供水温度预测结果如图 11所示，5 a运行结束后埋管区域地温预测结果如图 12所示。

由图 11可知，在供暖季内，地源端供水温度首先随着热泵机组运行时间增加而逐渐降低，供水温度降低至4℃后机组将采取间歇运行的模式，在保证供水温度不低于4℃的情况下继续从地层中取热。

图 12中，5 a后埋管区域内地温平均温度为13.20℃，略有回升。这是由于机组在供暖季存在停机，使取热量低于设定值所致。5 a运行期中，地源端取热预测结果为(125.2~127.3)万kW·h，排热量稳定在115.1万kW·h。取/排热量比较稳定，第5年地源端热不平衡率为8.1%。

可见，在未来5 a，埋管区域地温不再降低，但是地源端供水温度在冬季仍将处于较低水平且存在停机风险，冬季取热量降低。

3 运行策略优化分析

基于小区的复合式系统，本节分析几种兼顾地温恢复和取热量的措施，预测系统未来5 a的运行情况，为系统后续运行策略的制定提供参考。考虑以下3种措施：1) 第1年供暖季停用地源热泵系统，改用辅助热源供暖；2) 提高地源热泵系统夏季使用量(考虑5%和10%的冷热负荷差)；3) 保证一定地源端取热量，采用燃气锅炉调峰。

预测得到的地源端供水温度变化见图 13，5 a后埋管区域地温分布见图 14，年取/排热量见表 2。

3.1 停用地源热泵系统1个采暖季

地源热泵系统停用1个供暖季后，系统再次运行时，地源端供水温度明显回升。但之后又逐年降低，第5年冬季时接近4℃，再次达到最低安全温度。除第1年停机外，其余年份取/排热不平衡率均为16.2%。埋管区域地温有所恢复，5 a后为14.30~14.80℃，与系统开始运行时的初始地温接近。

3.2 提高地源热泵系统的夏季使用量

为减小地源端冷热负荷的差异，可考虑扩大54#地地源热泵系统的制冷面积(如夏季为53#地提供部分冷量)以提高地源端夏季排热量。随冷热负荷差减小，取/排热总量均提高，热不平衡率降至5.0%，但冷热负荷差为10%时冬季仍然发生停机。地温有所恢复，5 a后埋管区域地温在冷热负荷差为5%和10%时分别为13.70~14.40℃和13.30~13.90℃。

3.3 利用燃气锅炉调峰

据式(4)可知冬季日均换热功率为320~464 kW，设定地源端最多承担400 kW。模拟发现，热泵机组在每年冬天仍会出现少许停机，但是相比不采取任何措施已有较大改观。5 a后热不平衡率为8.1%，埋管区域地温为13.20~13.80℃，也有所恢复。

3.4 3种措施的比较

由表 2可知，从取/排热量来看，停机1个采暖季和增大夏季使用量都能够有效提高地源热泵系统的换热量，提高产出水平，但是停机1个采暖季对复合系统中的其他供暖方式有较高要求，而增大夏季用量则需要对相邻建筑制冷，也有一定限制。从系统热不平衡率来看，除停机1个冬季外，其他措施的热不平衡率都不高于8.3%。从控制供水温度来看，3种措施都能显著改善热泵机组冬季停机的状况。从地温变化来看，3种措施均对地温恢复有利，其中停机1个采暖季地温恢复最多，调峰对恢复地温的作用较小但是不影响系统工作。综合来看，采用燃气锅炉调峰受到的限制最少，且能改善停机状况，是最适合该系统现状的运行策略。

4 结论

本文结合北京某小区地源热泵系统多年运行后出现地温下降、冬季系统能效降低的情况，对该系统的多年运行数据进行了总结，分析了冷热需求特点和运行规律，通过有限元分析，从地温变化、停机情况和地源端供水温度及取/排热量等方面预测分析了系统的长期稳定性，并对不同运行策略进行了对比，得到主要结论如下：

1) 小区2个地块的地源热泵系统均表现为冬季取热量大于夏季排热量，而地源端供回水温度的变化规律有较大不同。54#地地源端冷热负荷不均衡，在2017—2019年平均热不平衡率达16.2%，冬季运行期内供水温度过低，增大回路流量后继续取热导致了系统效率降低。

2) 54#地地源热泵系统如果保持目前的取/排热量及热不均衡率，在接下来的几个冬季会出现更多的停机，冬季取热量将进一步减小，产出水平将继续降低。

3) 冬季热泵停机1个季度、增大夏季使用量和采用燃气锅炉调峰等3种措施都能缓解地温的进一步降低，改善停机状况。综合来看，使用复合系统中已设置的燃气锅炉进行调峰是最适合该系统现状的运行策略。

需要指出的是，在地源热泵系统的长期运行中，运行记录数据容易缺失。本文基于已有数据及对运行规律的认识，对缺失数据进行了合理推测，获得了全面的更接近实际情况的负荷，进而保证了预测结果的合理性，为已有在用地源热泵系统稳定性评价提供了一种切实可行的方法。