1、地源热泵系统设计中的若干问题探讨 【摘要】随着我国能源紧张和环境污染加剧，节能减排和开发可再生新能源已迫在眉睫。而建筑耗能占据主要部分。因此，开发和利用节能、环保的地源热泵系统是解决我国能源与环境问题的重要途径之一。本文主要对地源热泵系统设计中的问题进行探讨。 【关键词】地源热泵系统 设计 问题 【 Abstract 】 As for Chinas nervous energy and environmental pollution worsening, energy conservation, emissions reduction and develop renewable new ene
2、rgy are imminergy consumptand environmental protection of ground source heat pump system is one of the important ways to solve Chinas energy and environmental probltem design of the issign, problem 中图分类号： S611 文献标识码： 文章编号： 前言 我国建筑耗能大，是节能减排工作的重点方向，而土壤、地表水以及地下水体具有较大的蓄热能力，在冬季的时候其温度比室外平均气温高，在夏季时比室外平均气温低
3、。因此，地源热泵空调系统比空气源热泵和非热泵式空调系统具有更好的节能效果。地源热泵包括 土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵 3种主要形式。随着地源热泵技术的不断发展与完善，地源热泵空调系统的经济性将更加突出，该系统也必将在建筑中得到更为广泛的应用。 一、地源热泵系统的概念和优点 地源热泵 ( Ground-sourceheatpump )是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输人少量的高品位能源 ( 如电能 ) ，实现低温热源向高温热源的转移。 地源热泵的闭合回路部分由埋于地下的长塑料管组成，该管道埋在地下与土壤藕合，管内的流体与土壤之间进 行换热。热泵
4、在闭合回路和室内负荷之间传递热量。 该系统由闭式埋管系统， 水源热泵和室内分配系统组成。其中分配系统用来对加热和冷却的空气和水在房间内进行分配。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度， 又低于夏季的室外温度， 因此地源热泵可以克服空气源热泵的技术障碍，且能效比大大提高。 地源热泵由于其技术上的优势，推广这种技术有明显的节能和环保效益。地源热泵系统具有以下优点 : （ 1）夏季，土壤温度低于大气温度，排气压力低，制冷压缩比下降，制冷效能比大幅提高， 能耗大幅降低，运行费用降低；冬季，土壤温度远高于大气温度，无需融霜，可连续供热，制热系统能耗大幅降低。 （ 2）一
5、机多用， 节约设备用房。 地源热泵系统可供暖、空调， 还可供生活热水， 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。 机组紧凑、节省建筑空间，减少一次性投资。 （ 3）不用锅炉，节省了锅炉的初投资及燃料消耗，无冷却塔，无风机运行噪声，无飘水等热湿污染。 ( 4 ) 利用再生能源， 可持续发展。 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采 暖空调系统。 地表浅层地热资源量大面广，无处不在， 它是一种清洁的可再生能源。 因此， 利用地热的地源热泵， 是一种可持续发展的 “ 绿色装置 ” 。 二、地源热泵系统设计中应注意的问题 1、土壤的热响应测试 不同工程处于不同
6、的地理位置，地层结构一般不相同，土壤的导热系数也不同，这就使地埋管地源热泵室外换热器的换热效果有一定的差别。因此，在设计地埋管地源热泵系统时，必须知道土壤的导热系数。目前，地埋管地源热泵系 统的设计一般依据每延米孔深换热量的经验值进行估算，如以河南地 区为例，双 U 形管换热器夏季放热量为每延米孔深 70 W 左右，冬季取热量为每延米孔深 45 w 左右。但这种方法不能准确指导系统设计，为了保证使用效果，系统往往会设计得偏大很多，导致初投资很高，且不利于土壤的冷热平衡。因此，在系统设计之前必须进行土壤的热响应测试。 土壤的热响应测试装置一般由加热器、水泵、温度传感器、流量传感器、U 形地埋管换
7、热器及数据采集器等组成 (如图 1 所示 )。测试原理如下：将测试装置的水路循环部分与测试换热孔内的 U形管连接，形成闭式环路，利用加热器加热循环水，热水在地埋管内循环，通过换热 孔与土壤的传热将热量释放到地下，通过数据采集器记录进出水温度、流量以及加热功率来计算土壤的热物性参数、热力半径、取放热量等。目前，土壤的热响应测试存在较大问题，这些问题将直接影响测试结果或误导地埋管的设计。 图 1 热物性测试设备原理图 2、热泵容量的选择 : 热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热负荷还是冷负荷呢 ?这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。 一个选择不合理的系统，
8、 其制热 ( 冷 )能力不论是偏大还是偏小都不能提供足够的舒适感。当 系统的制冷量大于冷负荷时， 系统必须频繁地启动， 这会造成盘管的平均温度升高，同时又不能去除室内空气中的湿度， 频繁的循环还会降低设备的使用寿命，降低运行效率， 增加制冷过程的运行费用。 设备选的过大也会增加系统的初投资。 因此， 在山东地区选择热泵应该以冷负荷为依据。由于在北方地区热负荷相对较高， 而夏季的潜热相对较低， 在这种情况下，设备容量的选择可以适当偏大，但一般不要超过冷负荷的 2 5%。 3、热泵性能的确定 : 假定其他变量如空气体积流量，室内空气温度等保持不变，则地源热泵的性能 取决于热泵的进水温度， 必须确定
9、室外空气和进水温度之间的关系。 进水温度与多个因素有关， 如一年的运行时间， 土壤类型， 地热换热器的类型、 大小等。当季节变化时， 如果系统不频繁运行，进水温度大约和地下土壤的温度相同。 4、选择室内空气分布系统 地源热泵系统的室内分配系统选择相当灵活，可以采用多种方式。例如 :风机盘管系统，地板采暖方式， 全空气系统等。 通常采用风机盘管系统时， 空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面 : ( 1 )选择安装风管的最佳位置 ; （ 2）根据室内的得热量 / 热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置； ( 3 )根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。 室内分配系统一
10、般采用既能供热又能供冷，因此设计时必须二者兼顾。一个不能提供舒适性环境的系统运行时效率必然很低。地源热泵系统通常采用两种类型的送风系统 :地板四周下送风系统和吊顶上送风系统。 对于只有一层的建筑来说，热泵系统的送风装置的理想安装位置就是沿房间外墙地板或四周的地板。这种送风方式使处理过的空气形成一股垂直向上分散的气流，这使 系统无论在冬季还是夏季都能保证良好的气流分布和良好的舒适感。地板下送风系统通常采用吊顶回风或上回风方式回风。上回风系统中，顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸人回风管内，当系统开始运行时冷空气从地板下向上流动，并充满整个房间。由于在制冷运行期间，将最热的空气返回系统，故系统的效率
11、较高。 5、其他 地源热泵空调系统较理想的地源介质是地下水。这主要是因为地下水温度一年四季变化不太 (约在 10 20 之间 )，地下水的冷热量提取方便，换热装置紧凑且安装工程量小。采用地下水时，防止对地质结构造成破坏，最 好采用双井方案：从一个井中抽取地下水，在制冷热泵装置中循环放出冷量或热量后，再通过另入地下，保证地下水位，防止形成漏斗，造成地面沉降。地下水换热装置设计所涉及的主要内容包括当地地质结构、地下水资源情况 (容量冰质、水温、与地面及周围交换量情况等 )、双井距离、打井深度、单井抽水速率、打井方法、水泵型式及功率、防腐及防垢措施等。 当地下水不能利用时，可考虑采用地表水，包括河、
12、湖、池水等，所涉及的设计问题与地下水相似，但还需考虑人为冷热量干扰对河、湖、池水域中生态环境、化学环境、地质环境的影响。当地下水 和地表水均不能利用时，可考虑采用土壤介质。土壤介质的温度特性与地下水相似，土壤冷热量的利用方式为地下埋设换热装置 (换热器或热管等 )，工程量要远大于地下水方案。设计中所涉及的主要问题有地质结构、土壤特性 (土质、含水量、传热特性、腐蚀性等 )、换热装置的材料与结构型式、埋设深度、埋设面积等。 结语 总之，地源热泵系统的应用给环保节能带来新的方向，它的应用将产生重大的经济效益和社会效益。但在设计过程中还应注意一些问题，让节能效益达到最大。 参考文献 周戎，王宇波土壤源热泵在 武汉某大楼应用的可行性研究 J经营管理者， 2008(14)： 161 162 付文彪，蒋绿林，纪洪林，等地源热泵设计中两个重要参数的实验研究 J暖通空调， 2009， 39(2)： 116118 王华军，王恩宇，赵军地源热泵地下热响应实验的季节效应分析J暖通空调， 2009， 39(2)： 1418 李新国，赵军：朱强地源热泵系统及经济性分析 J.工厂动力， 2002，(1) ASHRAE 编，徐伟等译地源热泵工程技术指南 M中国建筑工业出版社， 2001 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。
