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【摘要】：地源熱泵是一项新兴的节能环保、可再生能源利用技术,本文介绍了地源热泵空调系统,并就地源热泵空调系统设计和实际工程应用中应注意的问题进行了阐述和探讨。
【关键词】：地源热泵 应用 节能
近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。空调作为目前改善建筑热舒适条件的工具，早已悄悄进入我们的生活。然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。
资料表明:我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅占1.2%，我国人口约占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上，只有我国的储量不足百年。石油的储量为四十年。面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。
随着我国人民生活水平的提高，人们对室内热舒适度的要求也越来越高。室内环境不再是“冷在三九，热在三伏”，而是全年维持在一个舒适的水平上。热泵由于集供热与制冷于一机的良好性能，深受人们的喜爱，成为暖通空调领域一颗炙手可热的新星，异军突起，发展十分迅速。目前，我国市场上销售的热泵大多是空气源热泵。但空气源热泵在许多方面仍不尽人意。如在制热季节需除霜，要启动制冷功能，这样便增加了能耗，减少了制热量；又如，在最热季与最冷季往往是需要热泵出力最大的时候，但其制热量与制冷量却是最不利时的时候，所以一般需设辅助设备。由此人们的研究工作开始转向了地源热泵(ground-source heat pumps )。
二十世纪九十年代后期，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展。地源热泵是一种利用地下浅层地能，将低位能向高位能转移，以实现供热制冷的高效节能空调系统。其利用地层在一定深度下一年四季温度比较恒定，保持在15℃以上，且具有热容量巨大、可以再生等特点，通过埋设在地下的换热管与土壤进行热交换，冬季把土壤中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下土壤中，此时地能为“冷源”，如下图：
此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。在地源热泵系统中，大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。可以大大减少对化石燃料的消耗，减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。地源热泵系统是一种高效、节能、环保的冷暖中央空调系统。
一、地源热泵空调系统设计
地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计；二是地源热泵空调系统的地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换系统的设计。
1．地源热泵系统循环简介及选择
地源热泵系统按其循环形式可分为：闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。
1.1闭式循环系统
封闭循环系统是指冷（热）源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。大部分地源热泵冷（热）源侧换热系统是采用封闭循环。
1.2开式循环系统
开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。
1.3 混合循环系统
对于混合循环系统，地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。
1.4 循环系统选择
闭式循环系统是一中比较稳定可靠的常规循环系统，对地下水、地下环境没有污染，一般设计应优先考虑该循环系统。对于地下设计热交换空间不够充分，或垂直埋管困难等地下特殊情况，可考虑设计混合循环系统。
2. 系统设计参数讨论
关于（冷）热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度、埋管材料、管径大小、当地地源条件以及机组的特性要求。一般，如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为 0.65-1.5 m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计，其优化设计考虑的参数关系如下。
复合能耗N = f（长度LLT、埋管材料Ma、管径D、地源温度Te，地源热指标Ke，机组特性Type）
在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，地处温带，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。
二．地源热泵地下换热器形式与布设
土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。土壤换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。下面就竖直埋管换热器的设计进行简单的探讨。
1. 竖直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE 管），铝塑管等。
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U 型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U 型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。
三.地源热泵工作原理
地源热泵与空气源热泵的工作原理相同，即夏季从室内取出余热释放到室外，冬季从室外取热释放到室内。夏季，即制冷工况时，热泵工质在室内侧换热器的蒸发将室内余热取出，在室外侧换热器（大地盘管）中进行热量交换，将余热放至室外，室内空气得到了冷却；冬季，即在制热工况时，四通换向阀转换方向，热泵工质在室外侧换热器（大地盘管）内蒸发而从室外吸取热量，在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。具有许多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积极的意义。首先具有较高的经济性，节能效果明显。
地源热泵用全年温度相对稳定的地表浅层土壤做热源和热汇，解决了这种窘境。我国幅原辽阔，各地地表浅层土壤温度有所不同。据资料介绍，5m以下的土壤平均温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的年空气平均温度。因而，需制热的冬季，地表浅层土壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏季，其温度则比室外空气温度低。这样，热泵工质与土壤的温差在冬、夏两季都保持在较高的水平上，可提高制冷系数或制热系数，也使得地源热泵在夏季可获得较低的冷凝温度，在冬季可获得较高的蒸发温度，全年在较高的COP下运行。
当然，地源热泵也存在一些不足。比如占地面积较大，系统初投资较大，不但包括传统空调系统的地面上的管路及设备的费用，还要包括地面下的换热器的费用，而且还包括初期的勘测、钻孔、及地下管路敷设等费用。北方地区还要考虑防冻，水管要进行保温，也增加了初投资。据统计，当土壤热交换器的投资较低时，投资回收期在0.5到3年之间，大多低于2年；当土壤热交换器的投资较高时，多数情况下投资回收期在2到3.5年之间。地源热泵技术在我国仍不完善。地源热泵技术在我国发展较晚，虽然有许多国外经验可以借鉴，但仍停留在研究阶段，不能与实际应用相结合。
四．结束语
地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用，由我院设计的天津市安定医院空调系统全部采用地源热泵，已经运行两年节能效果显著，我们应该积极对实际运行经验进行总结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有序的发展。
参考文献：
[1]徐伟等译。地源热泵工程技术指南。中国建筑工业出版社，2001。
[2] 蒋能照。空调用热泵技术及应用。机械工业出版社1997。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】：地源热泵 应用 节能
近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。空调作为目前改善建筑热舒适条件的工具，早已悄悄进入我们的生活。然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。
资料表明:我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅占1.2%，我国人口约占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上，只有我国的储量不足百年。石油的储量为四十年。面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。
随着我国人民生活水平的提高，人们对室内热舒适度的要求也越来越高。室内环境不再是“冷在三九，热在三伏”，而是全年维持在一个舒适的水平上。热泵由于集供热与制冷于一机的良好性能，深受人们的喜爱，成为暖通空调领域一颗炙手可热的新星，异军突起，发展十分迅速。目前，我国市场上销售的热泵大多是空气源热泵。但空气源热泵在许多方面仍不尽人意。如在制热季节需除霜，要启动制冷功能，这样便增加了能耗，减少了制热量；又如，在最热季与最冷季往往是需要热泵出力最大的时候，但其制热量与制冷量却是最不利时的时候，所以一般需设辅助设备。由此人们的研究工作开始转向了地源热泵(ground-source heat pumps )。
二十世纪九十年代后期，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展。地源热泵是一种利用地下浅层地能，将低位能向高位能转移，以实现供热制冷的高效节能空调系统。其利用地层在一定深度下一年四季温度比较恒定，保持在15℃以上，且具有热容量巨大、可以再生等特点，通过埋设在地下的换热管与土壤进行热交换，冬季把土壤中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下土壤中，此时地能为“冷源”，如下图：
此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。在地源热泵系统中，大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。可以大大减少对化石燃料的消耗，减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。地源热泵系统是一种高效、节能、环保的冷暖中央空调系统。
一、地源热泵空调系统设计
地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计；二是地源热泵空调系统的地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换系统的设计。
1．地源热泵系统循环简介及选择
地源热泵系统按其循环形式可分为：闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。
1.1闭式循环系统
封闭循环系统是指冷（热）源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。大部分地源热泵冷（热）源侧换热系统是采用封闭循环。
1.2开式循环系统
开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。
1.3 混合循环系统
对于混合循环系统，地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。
1.4 循环系统选择
闭式循环系统是一中比较稳定可靠的常规循环系统，对地下水、地下环境没有污染，一般设计应优先考虑该循环系统。对于地下设计热交换空间不够充分，或垂直埋管困难等地下特殊情况，可考虑设计混合循环系统。
2. 系统设计参数讨论
关于（冷）热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度、埋管材料、管径大小、当地地源条件以及机组的特性要求。一般，如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为 0.65-1.5 m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计，其优化设计考虑的参数关系如下。
复合能耗N = f（长度LLT、埋管材料Ma、管径D、地源温度Te，地源热指标Ke，机组特性Type）
在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，地处温带，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。
二．地源热泵地下换热器形式与布设
土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。土壤换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。下面就竖直埋管换热器的设计进行简单的探讨。
1. 竖直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE 管），铝塑管等。
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U 型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U 型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。
三.地源热泵工作原理
地源热泵与空气源热泵的工作原理相同，即夏季从室内取出余热释放到室外，冬季从室外取热释放到室内。夏季，即制冷工况时，热泵工质在室内侧换热器的蒸发将室内余热取出，在室外侧换热器（大地盘管）中进行热量交换，将余热放至室外，室内空气得到了冷却；冬季，即在制热工况时，四通换向阀转换方向，热泵工质在室外侧换热器（大地盘管）内蒸发而从室外吸取热量，在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。具有许多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积极的意义。首先具有较高的经济性，节能效果明显。
地源热泵用全年温度相对稳定的地表浅层土壤做热源和热汇，解决了这种窘境。我国幅原辽阔，各地地表浅层土壤温度有所不同。据资料介绍，5m以下的土壤平均温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的年空气平均温度。因而，需制热的冬季，地表浅层土壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏季，其温度则比室外空气温度低。这样，热泵工质与土壤的温差在冬、夏两季都保持在较高的水平上，可提高制冷系数或制热系数，也使得地源热泵在夏季可获得较低的冷凝温度，在冬季可获得较高的蒸发温度，全年在较高的COP下运行。
当然，地源热泵也存在一些不足。比如占地面积较大，系统初投资较大，不但包括传统空调系统的地面上的管路及设备的费用，还要包括地面下的换热器的费用，而且还包括初期的勘测、钻孔、及地下管路敷设等费用。北方地区还要考虑防冻，水管要进行保温，也增加了初投资。据统计，当土壤热交换器的投资较低时，投资回收期在0.5到3年之间，大多低于2年；当土壤热交换器的投资较高时，多数情况下投资回收期在2到3.5年之间。地源热泵技术在我国仍不完善。地源热泵技术在我国发展较晚，虽然有许多国外经验可以借鉴，但仍停留在研究阶段，不能与实际应用相结合。
四．结束语
地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用，由我院设计的天津市安定医院空调系统全部采用地源热泵，已经运行两年节能效果显著，我们应该积极对实际运行经验进行总结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有序的发展。
参考文献：
[1]徐伟等译。地源热泵工程技术指南。中国建筑工业出版社，2001。
[2] 蒋能照。空调用热泵技术及应用。机械工业出版社1997。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。