地源熱泵空調的應用設計

曹濤

摘要：隨著能源和環境問題的日益突出，以節能和環保為主要特征的地源熱泵技術在整個空調行業具有良好的發展勢頭。這一技術目前還不甚廣泛，正處于起步階段，在設計和應用中存在一系列期待解決的問題。

關鍵詞：地源熱泵；空調；應用設計

引言

公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求，所以合理利用自然資源，保護環境，減少常規能源消耗，已成為暖通空調行業需要面對的一個重要問題。地源熱泵空調系統通過吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷熱量，冬季從大地吸收熱量，夏季從大地吸收冷量，再由熱泵機組向建筑物供冷供熱而實現節能，是一種利用可再生能源的高效節能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調系統。

1.地源熱泵空調系統設計

1.1地源熱泵系統分類

地源熱泵系統按其循環形式可分為開式循環系統、閉式循環系統、混合循環系統。（1）開式循環系統。開式循環系統是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點。（2）閉式循環系統。封閉循環系統是指冷（熱）源側的循環水在機組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環。管道可以通過垂直井埋入地下150～200英尺深或水平埋人地下4～6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，在夏天則是將建筑物內的熱能通過管道送入地下儲存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。閉式循環系統是一種比較穩定可靠的常規循環系統，對地下水、地下環境沒有污染，一般設計應優先考慮該循環系統。（3）混合循環系統。混合循環系統的地下換熱器一般按熱負荷來計算，夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。對于地下設計熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設計混合循環系統。

1.2系統設計參數討論

關于（冷）熱源側水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環流程長度、埋管材料、管徑大小、當地地源條件以及機組的特性要求。一般如提高水流速度可適當增加換熱系數，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加循環水泵能量消耗，一般可取流速為0.65～1.5m/s。具體可當地條件進行優化分析與設計，其優化設計考慮的參數關系如下。復合能耗N=f（長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te，地源熱指標Ke，機組特性Type）在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。總之，我國幅員遼闊，地處溫帶，在不同地區氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。

1.3機組的設計

地源熱泵的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。以水一水系統為例，由一個室外機組和多個室內機組組成。該系統可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，具有較好的節能效果。變頻戶式地源熱泵空調系統加上獨立的新風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式中央空調系統，因而其優化設計具有極其重要的價值。傳統的制冷系統設計方法是基于經驗加實驗為主，通常經驗設計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小，只適于產品的初步開發。

1.4地源熱泵地下換熱器形式與布設

土壤熱交換器是地源泵機組設計的關鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等，這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境。采用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，充分利用土地面積。

（1）豎直埋管材料和深度。埋管材料最好采用塑料管。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據當地地質條件而定，可以從20m～200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模。如果地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，反之，采用淺埋。埋管間距一般以5～6m及以上，要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。

（2）豎直埋管換熱器回填、靈敏度。豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的u型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有u型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，可結合建筑物樁基一起施工。

（3）豎直埋管換熱器中傳熱的衰減。豎直埋管換熱器中流動的循環水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由于蓄熱地溫提高，機組運行時水溫不斷上升，停機時水溫又有所下降，當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反，由于取熱地溫下降，當建筑物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。設計時，首先應設定換熱器埋管中循環水最高溫度和最低溫度。

2.結論

地源熱泵作為一種環保節能的空調方式，將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術，同時又是一項跨專業、跨學科的綜合能源利用技術，需要通過相關專業技術人員的通力協作做好地源熱泵機組的設計、安裝、運行、維護等各個方面。