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摘要：介紹了地源熱泵系統(tǒng)的原理，闡述了其環(huán)保節(jié)能的特點，并對設計中可能出現(xiàn)的問題簡要的分析并提出了相應的解決措施。通過對熱泵的主要形式、技術特征、適用范圍的介紹，特別是在埋管方式和深度等方面，進一步對系統(tǒng)進行了探討和分析。地源熱泵是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的空調方式。

關鍵詞：地源熱泵；空調系統(tǒng)工作原理；環(huán)保節(jié)能；熱平衡

地源熱泵系統(tǒng)指的是一種能夠利用地殼表層地熱資源的（即通常深度小于400m），既能供熱又能制冷的空調系統(tǒng)，是節(jié)能又環(huán)保的設備?？衫玫牡責豳Y源有以下三種，包括土壤、地表水、地下水。《暖通空調術語標準》[1]（GB50155-92）第6.4.43條：熱泵，是能實現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉換的制冷機。因此，從某種意義上來說，熱泵在實質上就是制冷機。

1地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

地源熱泵系統(tǒng)主要由以下幾部分組成；地源熱泵機組，循環(huán)泵，地下埋管，風機盤管末端設備，供回水管路，溫控閥等閥門配件組成。內陸地區(qū)的實際應用中，經常采用的是一土壤作為地能資源的地源熱泵系統(tǒng)，因此我們以土壤作為地能資源形式進行地源熱泵系統(tǒng)的工作原理介紹。通常，水從高處流向低處，熱量從高溫流向低溫，而水泵卻可以實現(xiàn)逆向，達到將水從低處輸送到高處的目的，同理，熱泵就是實現(xiàn)了熱量的逆向。地源熱泵系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源（如電能），冬季實現(xiàn)大地低溫位熱能的提高，給建筑物供熱，并利用大地進行蓄存冷量并為夏季備用；夏季將建筑內的熱量釋放給大地并進行蓄存，實現(xiàn)建筑的降溫，同時為冬季儲備使用，工作原理見圖1。實質上，地源熱泵是利用大地實現(xiàn)動態(tài)能量的平衡系統(tǒng)，因為它充分挖掘了大地的蓄能作用。地源熱泵系統(tǒng)根據運行模式可以分為開式循環(huán)和閉式循環(huán)2種，我們以常見的閉式循環(huán)系統(tǒng)進行介紹。若根據埋管方式不同，還可以分為水平埋管、垂直埋管兩種形式，分別見圖2、圖3。水平埋管：施工技術相對垂直埋管來說簡單，但是埋管所占用的場地較大，容易受到外界氣候的影響，冬夏兩季聯(lián)用的效果不盡人意，比較適合單季使用。垂直埋管：就是在地殼中垂直鉆孔，前期鉆孔費用高，但是后期維修費用低，占地面積小，換熱能力較強，基本不受外界的影響，適合冬夏冷暖聯(lián)供系統(tǒng)，也是近些年主要采用的系統(tǒng)形式。

2地源熱泵系統(tǒng)的特點

地源熱泵系統(tǒng)供熱時不需要燃燒礦物燃料，無污染，制冷時，不需要設置冷卻塔，避免噪音，不滋生霉菌。按文獻[2]，燃燒礦物燃料可產生1500℃~1800℃的高品位熱能，但是一般來說，建筑只需要20℃~25℃低品位熱能，因此直接燃燒礦物燃料就會造成大量的熱能損失；如果地源熱泵取用溫度15℃，室內環(huán)境溫度為25℃，理論上逆卡諾循環(huán)工作的熱泵的性能系數COP達到29，根據一次能源利用率，COP也依然能達到25左右，因此采用熱泵技術可大大降低供熱燃料的消耗，還能減少燃燒礦物燃料引起的CO2和SO2等污染物的排放。地源熱泵系統(tǒng)可靠耐用，室外地埋管壽命可達到50年，熱泵機組壽命為15~25年，熱泵主機系統(tǒng)安裝于室內時，不會日曬雨淋，壽命遠遠長于傳統(tǒng)空調。下面以VRV空調系統(tǒng)為例與地源熱泵空調系統(tǒng)進行比較。

3設計應注意的問題

3.1冬夏季吸收放出熱平衡的問題

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》[3]（GB50366-2005，2009年版）第4.3.8條：豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20m；這樣做的目的：一方面是為了避免換熱短路，另一方面，可以有效地減少淺層地表溫度對地源熱泵機組的影響。水平埋管的方式，由于水平管埋得較淺，可以與地表充分地進行熱交換，不容易出現(xiàn)地下土壤的熱平衡問題。垂直埋管的通常做法是：在地層中鉆取直徑為100~150mm的鉆孔，鉆孔中應設置U型管并用填注材料進行填實，埋深一般取30~100m，以此來保證此時與地面及周邊土壤的熱交換量較小，但是在進行設計并計算后，如果平衡差較大，需要采用混合式地源熱泵系統(tǒng)的方式，即在原有的系統(tǒng)基礎上增加太陽能輔助加熱或冷卻塔冷卻，以此來彌補缺失的熱量或冷量，保證系統(tǒng)的正常運行，否則的話，將出現(xiàn)地下土壤溫度失衡的問題，熱泵機組工作能效較低，甚至可能出現(xiàn)無法運行的嚴重后果。

3.2管徑最小流速

南方地區(qū)地溫普遍較高，一般直接采用水作為工作流體，水是最容易獲得的循環(huán)流體，并且具有低密度和高傳熱導數，流動性能也好的特點。北方地區(qū)的冬季地溫偏低，都會用到防凍液。而地源熱泵系統(tǒng)中有很多材料可能會和防凍液接觸，如：鋼、黃銅、鋁等材料。防凍液應采用安全無毒、導熱性能良好的液體，常見的有：氯化鈣水溶液，乙二醇水溶液，丙三醇水溶液。防凍液對地源熱泵材料有一定的腐蝕作用，因此還要加入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑是在與水接觸的金屬表面形成將金屬和水隔離的保護膜，來達到緩蝕目的。

3.3水力平衡問題

換熱量的大小決定地埋管的總長度，水力平衡與各環(huán)路長度有關。地埋管系統(tǒng)是水系統(tǒng)的范疇，連管方式可分為異程式，同程式，垂直埋管的異程式、同程式示意圖分別見圖4、圖5。異程式布置可以根據現(xiàn)場實際情況進行布置，而不用考慮回路長度，但是各個環(huán)路之間容易出現(xiàn)水力失調的問題，需要安裝調節(jié)閥進行平衡，后續(xù)管理工作量大。同程式布置時環(huán)路都是平衡的，運行平穩(wěn)，因此對并聯(lián)的各支路應盡可能的采用同程設計，否則，較短的環(huán)路反而承擔較多的熱或冷負荷，地下土壤的溫升或溫降更大，導致熱泵機組的工作能效降低。

3.4管材選擇問題

對于地源熱泵系統(tǒng)來說，一旦將換熱器埋入地下后，就應該盡可能的避免維修或更換，所以，地埋管要保證化學性質穩(wěn)定，有較好的耐壓能力，流動阻力小，導熱系數大等特點。土壤源熱泵系統(tǒng)中優(yōu)先推薦采用PE管材，特別是在耐低溫方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，非常適合北方地區(qū)使用。其他塑料管材可以選用聚乙烯、聚丙烯塑料管道，鋁塑復合管等管材。塑料管屬于“柔性管”，地埋管要與周圍的土壤承受同樣的荷載，并能有效的抵抗地下運動，塑料管的連接方式多為熱熔連接，在抗內壓能力方面穩(wěn)定性好，能承受一定范圍內的軸向拉伸應力和扭曲變形，但管道受溫度變化影響較大，容易在管道應力集中處就會出現(xiàn)破裂等現(xiàn)象。設計時，應考慮每隔一段距離設置固定支墩，便于分解管道所產生的應力。

4結論

供熱和空調作為老百姓的日常需求和追求的生活品質，地源熱泵系統(tǒng)已經逐布向農村發(fā)展。采用地源熱泵系統(tǒng)可以提高一次能源利用率，可以實現(xiàn)供熱制冷，還可以提供生活熱水滿足日常需要，特別是在沒有集中供熱的區(qū)域，可以廣泛應用。在北方地區(qū)采用冬夏聯(lián)用的地源熱泵，設計時要注意吸收放出熱平衡，水力平衡的問題。地源熱泵系統(tǒng)具有的高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，符合國家發(fā)展低碳經濟的戰(zhàn)略。

作者:王中海 單位:兗礦集團鄒城華建設計研究院

參考文獻：

[1]GB50155-92.采暖通風與空氣調節(jié)術語標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]刁乃仁，方肇洪.地源熱泵--建筑節(jié)能新技術[J].建筑熱能通風空調.2004，23（3）：18-23.

[3]GB50366-2005（2009年版）.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]蔡增基，龍?zhí)煊?，等編著，流體力學泵與風機（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.