鄒鋒

地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計概述

鄒鋒

Di mai guan di yuan re beng xi tong she ji gai shu

一、地源熱泵系統(tǒng)的定義及分類

以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地埋管系統(tǒng)） 、地下水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地下水系統(tǒng)）和地表水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地表水系統(tǒng)） 。其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)，也稱土壤源地源熱泵系統(tǒng)。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤作為熱泵低位熱源的熱泵系統(tǒng)，主要包括3套管路系統(tǒng)：室外管路系統(tǒng)、工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)管路系統(tǒng)。室外管路系統(tǒng)其實是一個土壤耦合地?zé)峤粨Q器，通過中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地?zé)峤粨Q器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地土壤進行熱交換的目的。冬季時，從土壤中吸收熱，經(jīng)過熱泵提升后，將熱量供給熱用戶，同時在土壤中儲存冷量，以備夏季空調(diào)用。夏季時，將室內(nèi)的余熱經(jīng)過熱泵轉(zhuǎn)移后通過埋地盤管釋放到土壤，同時儲存熱量，以備冬季采暖用。

二、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計特點

1.地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約

對于地埋管系統(tǒng)，除了要有足夠埋管區(qū)域，還要有比較適合的巖土體特性。由于埋管換熱器中循環(huán)介質(zhì)與大地巖土間的換熱情況相當(dāng)復(fù)雜，因此土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計難點主要集中在地下?lián)Q熱器的設(shè)計上。埋管形式、埋管或豎井的間距、埋深、管徑、循環(huán)介質(zhì)的流量等既是影響埋管換熱器與大地巖土間換熱的重要因素，又是構(gòu)成埋管換熱器具體形式的主要參數(shù)。當(dāng)然其中地下巖土的熱物性對傳熱的能力影響很大。

為此，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的強制性條文規(guī)定：地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前，應(yīng)進行工程場地狀況調(diào)查，并應(yīng)對淺層地?zé)崮苜Y源進行勘察。

2.地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源的影響很大

低位熱源的不定因素非常多，不同的地區(qū)、不同的氣象條件，甚至同一地區(qū)，不同區(qū)域，低位熱源也會有很大差異，這些因素都會對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計帶來影響。

3.設(shè)計相對復(fù)雜

（1）低位熱源換熱系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點。地下?lián)Q熱過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，影響因素眾多，計算過程復(fù)雜，通常需要借助專用軟件才能實現(xiàn)。

（2）地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮低位熱源長期運行的穩(wěn)定性。方案設(shè)計時應(yīng)對若干年后巖土體的溫度變化進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果確定應(yīng)采用的系統(tǒng)方案。

（3）地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，增加了低位熱源換熱部分的投資，且投資比例較高，為了提高地源熱泵系統(tǒng)的綜合效益，或由于受客觀條件限制，低位熱源不能滿足供熱或供冷要求時，通常采用輔助冷熱源與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式，無形中提高了方案設(shè)計的難度。

三、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法

1.由于地埋管系統(tǒng)是否能夠可靠運行取決于埋管區(qū)域巖土體溫度是否能長期穩(wěn)定，因此在地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)對工程場區(qū)內(nèi)巖土體地質(zhì)條件進行勘察。應(yīng)根據(jù)工程勘察結(jié)果，對地埋管換熱系統(tǒng)實施的可行性及經(jīng)濟性進行評估。

2.空調(diào)冷、熱負荷的計算

地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進行全年供暖空調(diào)動態(tài)負荷計算，最小計算周期宜為1年。計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量基本平衡。

地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設(shè)計冷負荷相對應(yīng)，系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計熱負荷相對應(yīng)。

3.地埋管換熱器的設(shè)計

地下埋管換熱器是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，其選擇的形式是否合理，設(shè)計的是否正確，關(guān)系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用。設(shè)計原則：對于給定的建筑場地條件應(yīng)盡量使設(shè)計在滿足運行需要的同時盡可能降低初投資及運行費用。

地埋管換熱器的設(shè)計及選型主要涉及以下幾個方面：

（1）初步確定一種埋地換熱器的埋置方式以及埋管的位置。

（2）管材的選擇與確定。

（3）初步確定地下土壤的溫度以及地下土壤的最高和最低溫度。

（4）初步確定地下熱泵機組的最高和最低進水溫度。

（5）初步確定地下土壤與地下?lián)Q熱器之間的溫差。

（6）初步計算管道和循環(huán)介質(zhì)換熱的熱阻；初步計算管道和土壤換熱的熱阻。

（7）初步計算供熱和制冷流程因子。

（8）初步計算埋地換熱器的管道長度。

（9）對所有計算結(jié)果進行評估優(yōu)化，進行調(diào)整。

（10）確定埋地換熱器循環(huán)水泵和集分水器、排氣設(shè)施等附件。

4.對地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

（1）對動態(tài)負荷計算的要求

由于地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設(shè)計總冷負荷相對應(yīng)，系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計總熱負荷相對應(yīng)。必須對建筑全年動態(tài)冷、熱負荷進行計算。

（2）混合式系統(tǒng)的選擇和調(diào)峰比例的確定

就是對輔助冷熱源優(yōu)化配置。帶輔助冷熱源的混合式系統(tǒng)，由于可有效減少埋管數(shù)量，同時也可保證地埋管系統(tǒng)吸、釋熱量平衡，因此已成為地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的主要形式。對混合式系統(tǒng)的優(yōu)化模擬分析，即以壽命周期內(nèi)費用最低為目標(biāo)，對混合式系統(tǒng)運行能耗及投資情況進行模擬計算分析，優(yōu)化配置輔助加熱及散熱設(shè)備，這也是目前國際上廣泛研究與分析的熱點。

四、地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的問題

1.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的推廣出現(xiàn)了一定程度的盲目性，許多項目在沒有對當(dāng)?shù)刭Y源狀況進行充分評估的情況下就匆匆上馬,造成了地源熱泵系統(tǒng)工作不正常,反而不能發(fā)揮其節(jié)能效果 。

2.目前許多項目的地埋管換熱設(shè)計交給專業(yè)工程公司完成。通常專業(yè)公司僅僅只是根據(jù)設(shè)計負荷，按經(jīng)驗估算確定埋管數(shù)量及埋深，對動態(tài)負荷的影響缺乏分析，對長期運行效果沒有預(yù)測，造成地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運行效率。

3.地下土壤的熱平衡問題

維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運行的可靠保證。地埋管地源熱泵的熱平衡問題完全可以通過系統(tǒng)的合理設(shè)計和規(guī)范化的運行管理進行解決，常用的解決方法：

（1）條件適合時適當(dāng)放大埋管間距，并設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）加強運行管理，輪換土壤換熱器分組回路使用。

（3）采用帶有熱回收技術(shù)的熱泵機組有利于熱平衡，且可以提供廉價的生活熱水。

（4）可以采取輔助加熱（或冷卻）方式 ,把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。

4.土壤凍結(jié)對埋管換熱器傳熱的影響

在北方寒冷地區(qū)，冬季進入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析,水分凍結(jié)時，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度越小，水分越多,釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設(shè)計中不考慮土壤中水分凍結(jié)的影響，計算出的地下埋管周圍的溫度場偏低與實際情況偏差較大，水分越多，差別越大，因此設(shè)計中應(yīng)考慮水分凍結(jié)的影響。

5.地源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計需著重提高系統(tǒng)能效比以及季節(jié)能效比

民用建筑空調(diào)負荷的特點是隨時間變化大，峰值負荷與谷值負荷相差大，因此季節(jié)能效比的高低是衡量空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備的又一個重要指標(biāo)。選用部分負荷綜合系數(shù)高的熱泵機組、對水系統(tǒng)實行變流量控制，都是有效提高空調(diào)系統(tǒng)季節(jié)能效比的措施。因此整個系統(tǒng)的能效比，更能體現(xiàn)系統(tǒng)和方案的優(yōu)劣性。

五、結(jié)語

地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一項跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作，做好勘測、設(shè)計、施工、調(diào)試等各項工作才能使系統(tǒng)達到要求的節(jié)能、環(huán)保性能。積極對實際運行經(jīng)驗進行總結(jié)，使地源熱泵這項可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。

（作者單位：鄭州市建筑設(shè)計院）