盐碱地区浅层地埋管热泵土壤换热性能衰减机理及改良方案研究

摘要

我国西北、华北滨海区域广泛分布盐碱化土壤，盐碱土体含盐量高、盐分具备随温度迁移结晶的特性，浅层地埋管地源热泵长期运行过程中，土壤盐分会在换热管道外壁不断结晶结垢，形成致密隔热层增大换热热阻，造成地埋管换热效率逐年持续性衰减；同时盐碱土壤具备较强电化学腐蚀性，加速PE换热管材老化破损，严重缩短埋管系统使用寿命。本文开展盐碱土壤换热模拟试验，剖析盐分温度迁移、管壁结垢隔热、管材电化学腐蚀三大换热衰减内在机理，分别对管道外壁复合防腐隔热涂层改良、换热管周边土壤换填改良、机组间歇式换热运行三种改良方案进行长效工况对比试验。试验结果表明：换热管材外壁喷涂耐高温防腐隔热复合涂层，搭配热泵系统间歇式启停运行模式，可以有效抑制盐分在管壁结晶附着，再辅以局部优质土壤换填优化管路周边换热环境，能够让盐碱地层地埋管系统长期保持稳定换热性能，为我国盐碱土地带规模化推广浅层地源热泵系统提供地层适配改良技术方案。

关键词：盐碱土壤；地埋管换热；盐分结晶；换热衰减；管材防腐；土壤改良

一、引言

浅层地源热泵依靠地埋管与周边岩土体进行热量交换，岩土土体的理化性质直接决定地埋管换热效率与管路服役寿命。我国西北甘肃、宁夏以及华北沿海滩涂区域分布大面积盐碱土壤，土壤中含有大量钠盐、钙盐、镁盐等可溶性盐类物质。在地埋管冬季取热、夏季排热的换热过程中，管道管壁温度与周边土体存在温差，土壤孔隙水溶液中的可溶性盐会随着温度梯度向管壁处迁移，水分蒸发后盐分析出结晶，逐年在管道外壁形成一层坚硬的盐垢隔热层，阻隔管材与土壤之间的热量传递，地埋管换热热阻逐年升高，换热能力持续下滑。与此同时，盐碱土体导电率高，在土壤内形成电化学腐蚀环境，即便采用PE塑料换热管材，长期土壤电化学环境会加速管材高分子材料老化，出现管材脆化开裂、介质泄漏等故障。

当前国内地源热泵相关规范与设计方案大多基于中性土壤工况制定，缺少针对盐碱地层的专项设计与改良方案。很多在盐碱区域投建的地源热泵项目，投运2~3年后换热效率大幅下降，机组能效比衰减超过30%，供暖制冷能力无法满足建筑负荷，不得不对埋管系统进行大规模改造，项目后期运维改造成本高，制约了地源热泵在盐碱地区的普及应用。因此深入研究盐碱土壤下地埋管换热性能衰减机理，并针对性提出经济可行的改良方案，对推动盐碱地区浅层地热清洁能源发展至关重要。

二、盐碱土壤地埋管换热性能衰减三大机理

2.1 盐分温度迁移与管壁盐垢结晶机理

土壤水溶液中可溶性盐的溶解度随温度降低明显下降。冬季地埋管内部低温换热介质吸收土体热量，管壁温度低于周边土体温度，土壤水溶液沿着温度梯度向管壁聚集，盐分在低温管壁处达到过饱和状态，不断析出固态盐结晶，附着在管道外壁形成盐垢层；夏季管道向外排热，管壁温度升高，表层少量盐分重新溶解，但深层盐垢结构致密无法溶解，逐年累积增厚，形成性隔热屏障，增大换热热阻。

2.2 盐垢隔热造成换热效率持续衰减

盐垢导热系数远低于土壤岩土，几毫米厚的致密盐垢层就可以大幅阻碍管壁与土体之间的热量传递，地埋管单位管长换热量逐年降低，为满足建筑冷热负荷，热泵机组只能长期高频率高负荷运行，机组能耗不断上升，设备损耗加剧。

2.3 盐碱土体电化学腐蚀加速管材老化

盐碱土壤含水率高、含盐量高，土体具备良好导电性，形成无数微小电化学原电池。PE管材虽然不发生电化学腐蚀，但长期处于高导电盐碱湿热环境下，管材高分子链逐步老化脆化，管材韧性下降，在地层土体挤压、管路水锤冲击作用下极易开裂泄漏。

三、三类改良方案模拟工况对比试验

搭建盐碱土壤恒温换热试验台，土壤含盐量设置为盐碱地区典型含盐指标，采用常规PE换热管作为对照组，另外三组分别采用不同改良方案开展为期12个月连续换热对比试验。

方案一：管材外壁喷涂耐高温防腐隔热复合涂层。涂层一方面隔绝盐碱土体与管材本体接触，减缓管材老化；另一方面涂层致密光滑，不利于盐分晶体牢固附着，大部分盐分结晶会随土壤水溶液流动脱落，难以形成厚层盐垢。试验显示该管材外壁盐垢厚度仅为对照组的1/6，管材老化速率显著降低。

方案二：换热孔周边换填中性改良土壤。在地埋管钻井完成后，不使用原有盐碱土体回填，改用不含盐分的砂土、黏土混合中性土壤回填换热孔，从根源消除管壁盐分结晶来源。该方案换热稳定性优，但钻井回填施工工程量大、材料运输成本高，适合小型重点建筑项目，大规模园区项目经济性较差。

方案三：热泵间歇式换热运行策略。摒弃机组24小时连续运行模式，采用“运行2小时、停机1小时"间歇换热，让管壁温度与周边土体温度缓慢趋于平衡，缩小管壁与土体温差，削弱盐分温度迁移驱动力，减少盐分向管壁聚集结晶。该方案无需改造硬件，依靠电控程序优化即可实现，改造成本低，但需要匹配建筑冷热负荷动态调控。

通过三类方案单项与组合试验得出优改良方案：外壁防腐隔热涂层管材+间歇式运行调控，对换热孔底部1~2m区域进行局部中性土壤换填，兼顾换热稳定性、施工改造成本与长效防腐性能，适配绝大多数盐碱地区工程项目。

四、现场工程项目应用效果

将改良方案应用于西北某盐碱区域产业园浅层地源热泵项目，对一部分地埋管采用传统方案施工作为对照环路，其余管路采用涂层管材+间歇运行+局部土壤换填改良方案。经过两个完整冷暖季运行监测：对照组环路外壁形成明显盐垢层，换热效率衰减32.6%；改良后的地埋管环路管壁仅有微量松散盐分结晶，无致密隔热盐垢形成，换热效率衰减仅4.7%，管材外壁无明显老化现象，热泵机组全年运行能耗远低于对照环路，换热性能长期稳定。

五、方案优化与实施建议

对于大型盐碱区域地源热泵项目，优先选用外壁带防腐隔热涂层的换热管材，控制系统采用间歇换热智能调控逻辑，对换热孔底部易积水积盐区域做中性土壤换填，平衡改造投入与长效换热效益；对于小型零散建筑项目，可仅采用涂层管材+间歇运行策略，降低初期施工成本；对于滨海重度盐碱滩涂区域，必须配套全孔中性土壤换填方案，保障埋管系统几十年服役周期稳定换热。运维阶段每年通过管路压力监测排查管材老化泄漏风险，保障系统长期运行安全。

六、结论

盐碱土壤内部可溶性盐分随温度梯度迁移结晶、管壁形成盐垢隔热层、盐碱土体电化学环境加速管材老化，是盐碱地区浅层地埋管换热性能逐年衰减、管路提前失效的三大核心机理，传统中性土壤适配型埋管方案无法在盐碱地层长期稳定运行。单一改良方案存在换热效果差或者施工成本过高的短板，采用“外壁防腐隔热涂层管材+机组间歇式换热运行+换热孔底部局部中性土壤换填"的组合式改良方案，可以从抑制盐分结晶附着、缩小管壁温差、优化局部换热环境、延缓管材老化多个维度解决盐碱地层换热衰减问题。

工程项目冷暖季实测数据验证，该组合改良方案能够把地埋管换热效率年衰减幅度控制在5%以内，极大延长换热管材服役寿命，兼具良好换热稳定性与工程经济性，可以适配不同规模的盐碱区域建筑地源热泵项目。该改良方案优化国内盐碱地区浅层地埋管成套适配技术的空白，为我国西北盐碱地带、华北滨海盐碱滩涂区域推广浅层地源热泵清洁冷暖供能系统提供了成熟可行的技术解决方案，助力盐碱区域建筑实现节能低碳供暖制冷。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求