地埋管地源热泵技术的应用分析及设计中应注意的问题

郭清礼 王荣

摘要：介绍目前地源热泵在国内的发展状况、系统的构成及发展历程，以及地源热泵系统的优点，同时对设计中存在的问题进行分析和探讨。

关键词：地源热泵优点发展历程设计问题

1地源热泵系统的介绍

地源热泵是一种利用地球浅层资源（包括土壤、地下水、地表水或城市中水）的既可供暖又可制冷的高效节能的空调系统。它利用铺设在土壤、地表水等中的换热管道，实现空调房间和土壤、地表水等的换热，以达到建筑空调的效果。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到3-5kWh以上的热量或冷量。

2地源热泵系统的构成

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。下面以地埋管地源热泵系统为例做一介绍。

2.1室外换热系统。室外换热系统主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。选择哪种形式取决于现场可用地表面积、当地岩土类型以及钻孔费用。尽管水平埋管通常是浅层埋管，可采用人工开挖，初投资比垂直埋管小些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程应用中，一般都采用垂直埋管。垂直埋管通过集水管汇集，在管道集水器端设置循环水泵，与室内热泵机组形成一个闭式系统。

2.2室内换热系统。室内换热系统夏季通过地源热泵机组向空调房间的风机盘管提供冷冻水，由风机盘管内水-空气热交换器换热向空调房间提供冷风。冬季由地源热泵机组向风机盘管提供热水采暖。

2.3地源热泵机组。机组由封闭式压缩机、同轴套管式水/制冷剂热交换器、热力膨胀阀(或毛细膨胀管)、四通换向阀、空气侧盘管、风机、空气过滤器、安全控制等所组成。机组本身带有一套可逆的制冷/制热装置，是一种可直接用于供冷/供热的热泵空调机组。供暖时，它吸取地热向用户排放，此过程只消耗少量电能。制冷时，它吸取用户室内的热量向地下排放，同样也消耗少量热能。冬天热泵可以向用户提供45℃-50℃的热水。夏天热泵可以向用户提供7-12℃的冷水。

3地源热泵技术在我国的发展历程

地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，而地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。地源热泵在我国的发展可以分为三个阶段： 3.1起步阶段（20世纪80年代～21世纪初）。从1978年开始，中国制冷学会第二专业委员会连续主办全国余热制冷与热泵学术会议。自20世纪90年代起，中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会第五专业委员会主办的全国暖通空调制冷学术年会上专门增设了有关热泵的专项研讨，地源热泵概念开始进入在我国科研工作者的视野并得到逐步重视。2002年又于北京组织召开了世界第七次热泵大会。可以看出，我国对热泵技术的研究起步较早。 3.2推广阶段（21世纪初～2004年）。进入21世纪后，地源热泵在我国的应用越来越广泛，截至2004年底，我国制造水源热泵机组的厂家和系统集成商有80余家，地源热泵系统在我国各个省市地区均有应用。这个阶段相关科学研究也极其活跃。2001年，由中国建筑科学研究院空调所徐伟等人翻译的《地源热泵工程技术指南》为我国广大地源热泵工作者普及了解，相关工程技术的概念和标准化做法为我国地源热泵从业相关技术人员提供了参考。 3.3快速发展阶段（2005年至今）。2005年后，随着我国对可再生能源应用与节能减排工作的不断加强，《可再生能源法》、《节约能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《民用建筑节能管理条例》等法律法规的相继颁布和修订，财政部、原建设部两部委对国家级可再生能源示范工程和国家级可再生能源示范城市的逐步推进，奠定了地源热泵在我国建筑节能与可再生能源利用中的重要地位，各省市陆续出台相关的地方政策，设备制冷厂家不断增多，集成商规模不断扩大，新专利新技术不断涌现，从业人员不断增多，有影响力的大型工程不断出现，地源热泵系统应用进入了爆发式的快速发展阶段。

4地源热泵空调系统的优点

4.1利用可再生能源，环保效益高：地源热泵从浅层常温土壤中吸热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源，所以当使用地源热泵时，其土壤热源可自行补充，持续使用。机组在运行过程中，无废气污染物排放，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。

4.2高效节能，运行费用低：在制热时，地源热泵可将土壤中的热能“搬运”到室内，其能量70%来自土壤，制热系数高达3.5——4.5。即输入1KW的电量可以得到3.5—— 4.5KW以上的制冷制热量。运行费用每年每平方米仅为15——18元，比常规中央空调系统低40%——50%，比空气热泵低30%——40%。

4.3节水省地：以土壤为热载体，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染。省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规设备。埋管可埋在车库、停车场、花园、操场等下面，不占用使用面积

4.4灵活多用：制冷、供热兼提供生活热水，真正做到一机三用。由于机组占地面积小，

可灵活安置，系统末端也可作多种选择。

4.5行安全稳定，可靠性高：地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况比较稳定，优于其它空调设备。不存在空气源热泵除霜和供热不足，甚至不能制热的问题。土壤源热泵地下换热管路采用高密度聚乙烯塑料管，使用寿命长达50年以上，可与建筑物寿命相当.空调机组结构简单，运转部件少，使用寿命可达到20年以上。

5在设计中应注意的问题

5.1地下土壤的热平衡问题。全年冷热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。一般情况下，土壤温度升高或降低1℃，会使制取同样热量（或冷量）的能耗增加3—4％。因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。如果热平衡性相差较大，可以采取辅助加热(或冷却)方式。

5.2 地埋管设计土壤热物性问题。土壤热物性主要表现为蓄热性的热导率，蓄热性表现为土壤温度每升高或降低1℃时，单位数量的土所能储存的热量。热导率表现为沿法线向抽当温差为1℃时，土壤传递热量的多少。土壤的热导率为0.5-2.5W/（m˙K）,跨度很大，其大小与土壤种类、含水率大小、化学成分，埋设方式等多种因素有关。在工程设计时应坚持实测当地土壤热导率或求助当地水文地质部门提供资料，认真确定土壤热导率。

5.3地埋管换热器设计计算问题。由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域岩土体的换热特性差别都很大。为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，设计时不能简单按照每延米换热量来设计计算。应根据岩土体的热物性，全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管及传热介质等因素，采用专用的软件进行计算。

6结语

地源热泵系统是我国近年发展迅速的新型空调系统，是一种环保、节能的能源利用方式。在实际的设计中，我们减少盲目性和随意性，以实际实验数据和科学计算为依据，从而推动地源热系统的健康发展。

参考文献

[1] 地源热泵系统工程技术规程（GB 50366-2009）。北京：中国建筑业出版社，2009

[2] 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范． GB50242－2002.

[3] 魏唐棣.地源热泵地下竖管换热器性能研究D.重庆：重庆大学，2001

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。