地埋管地源热泵清洁技术的工程应用

孙宏伟

（江苏河海新能源有限公司，常州 213100）

地埋管地源热泵技术是一种清洁能源利用技术，地埋管地源热泵空调系统是以大地为冷热源，通过中间介质作为热载体在埋设于大地岩土中的封闭环路中循环流动，从而实现与大地进行冷热量交换，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量释放到土壤中以备冬用，冬季再利用热泵技术把储存在土壤中的热量取出来对室内进行供暖，实现夏季制冷和冬季制热的目的，解决建筑物供能系统所需的冷热源问题，具有节能环保的显著优势[1,2]。

1. 浅表地热能

1.1 浅表地热能的概念

浅表地热能是指地表以下一定深度范围内，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。其能量主要来源于太阳辐射与地球梯度增温，通过热泵技术进行采集利用后，可以为建筑物供能。

1.2 浅表地热能利用方式

浅表地热能按冷热源的条件不同主要分为地埋管地源热泵、地表水地源热泵和地下水地源热泵等。

地埋管地源热泵主要以岩土为冷热源，利用循环水与地下土壤进行冷、热交换；地表水地源热泵以江河湖海水为冷热源，对地表水中的泥沙、悬浮物等进行前置水处理，保证进热泵主机的水质符合要求；地下水地源热泵技术是指抽取与地层相同温度的地下水，并通过机组与抽取的地下水进行换热，根据系统负荷及需水量的大小，地层的出水能力和回灌能力来设计抽水井和回灌井的数量[3]。

2. 地埋管地源热泵技术在国内外发展情况

2.1 国内发展情况

我国地埋管地源热泵技术工程应用起步相对较晚。随着经济的快速发展和科研水平的不断提高，地源热泵技术得到飞速发展，工程应用实例越来越多，地埋管地源热泵技术的发展应用潜力很大。2006年1月，国家建设部颁布了《地源热泵系统工程技术规范国家标准》，为规范地埋管地源热泵技术工程的应用提供了规范保障。

国内学者对地埋管地源热泵技术的研究主要集中在以下方面：地埋管换热器的传热理论、地埋管换热器的传热模拟、地埋管换热器选型、间歇运行时对地埋管换热器的性能分析等方面。

地埋管地源热泵技术的研究仍然主要局限在对实验模型模拟计算阶段，而对系统在实际运行过程中的性能变化、土壤温度变化等基础性研究不足。近年来，地热换热器模拟软件“地热之星”的问世提供很好的应用平台。

2.2 国外发展情况

图1 海淀区外语电子职业高中北校区和北京市回龙观医院

图2 地埋管地源热泵系统原理示意图

图3 竖直和水平地埋管地源热泵系统示意图

20世纪初期，地下岩土中浅表地热能与热泵技术结合应用的观点首次被提出。自20世纪70年代，两次石油危机直接导致能源价格走高，同时环境问题也不断困扰人类社会的发展，人们逐渐认识到开发可持续新能源重要意义。

美国针对土壤源热泵系统的实验平台，开展了大规模的基础性实验研究。欧洲各国荷兰、瑞典等国由政府出资建立的地埋管地源热泵工程数量不断增多，工程技术不断成熟。

3. 地埋管地源热泵技术原理

地埋管地源热泵系统是把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。

地埋管地源热泵系统夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温。同时储存热量，以备冬用；冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用，大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。

地埋管地源热泵系统按地埋管换热器的布置方式不同，可分为竖直和水平地埋管地源热泵系统。

4. 地热换热器设计

地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性，地下传热的复杂性，地热换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础[4,5]。

地下埋管式换热器设计应根据本地区的土壤特性、气候、地质分布等特点，结合该项目的具体情况和我们以往的实际工程经验进行设计。

确定建筑物输入地下岩土的冷热负荷，如果全年向土壤释放的热量远大于从土壤吸收的热量，地源热泵装机负荷主要满足以冬季热负荷配置，夏季不足部分用冷水机组和冷却塔系统辅助散热。

确定竖井埋管管长，地埋管换热器应根据可使用地面面积、工程勘察结果及挖掘成本等因素，综合考虑到可利用的埋管面积有限及换热效能，设计中采用了竖直埋管换热器。每个钻孔中设置一组或两组U型管（即单U管和双U管），各U型管之间更多采用同程并联连接。

根据U型管岩土层每米孔深换热量，确定管井的数量，确定地埋管换热器所需占地面积。

5. 地埋管地源热泵技术优点

1）可再生能源

地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量，是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。地埋管地源热泵利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。

2）高效节能，经济效益显著

地源热泵机组可利用的土壤温度冬季为15℃～18℃，土壤温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季土壤为17℃～20℃，土壤温度比环境空气温度低，制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式换热效果，机组效率提高。据工程经验估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。

3）运行稳定可靠

地下岩土的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是热泵机组很好的冷热源，土壤温度较恒定的特性，使得热机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵和冬季除霜等难点问题，克服了常规空调因外界气温的变化引起的多耗电，效果差等弊端。

4）环境效益显著

地埋管地源热泵的使用少量电能换取更多的冷热量，减少消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。节能的设备本身的污染就小，设计良好的地源热泵机组折电力消耗，与空气源热泵相比相当于减少30%以上。

5）一机多用，应用范围广

地埋管地源热泵系统可为建筑物供冷、供热、供生活热水，一机多用。一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点，不仅节省了大量能源，还减少了供冷供热设备的初投资。

6. 结论

地埋管地源热泵技术是一种可再生能源技术，为区域建筑供冷、供热、供生活热水。根据不同地区、不同地质条件、不同能源结构及价格，选择合适的地埋管地源热泵系统形式，优化地埋管换热器设计，以期取得良好的节能和环保效益。

我国具有应用地源热泵技术的广阔市场与条件，地埋管地源热泵技术的应用前景十分广阔。

[1]袁旭东，王彬，吴伯谦.混合式土壤源热泵应用分析.制冷与空调，2006(1)：40—43.

[2]张昆峰，马芳梅，金六一.土壤源热泵与热泵联结运行冬季工况的实验研究.华中理工大学学报，1996，24(1)：23—26.

[3]王琰.南京某办公综合楼地源热泵+蓄能空调系统的设计研究.建筑科学，2010，26(10)： 06—13 .

[4]王勇.地源热泵的技术经济分析[J].建筑热能通风空调，2001，(5)：12—13.

[5]林爱辉.地源热泵系统及能效分析。湘潭师范学院学报(自然科学版)，2004年12月.