1、引言
熱泵技術(shù)是利用少量高品位的電能將低品位的淺層地溫能提升加以利用的一種綠色技術(shù)，受到國際社會的重視。其中，地源熱泵技術(shù)的成功應(yīng)用，要求有穩(wěn)定、足夠的能量保障，運(yùn)行不能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染。地下?lián)Q熱器在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中占有很大的比重，其成功的關(guān)鍵在于根據(jù)特定的地質(zhì)條件進(jìn)行合理的埋管設(shè)計(jì)和施工。在實(shí)際工作中，要綜合考慮工作區(qū)的氣象、巖土熱物性 和水文地質(zhì)參數(shù)等，才能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以合理的費(fèi)用保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2、氣象因素對熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響
氣象要素包括：氣溫、降雨量和空氣濕度。其影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.1年極端氣溫
年極端氣溫一般都出現(xiàn)于供暖和制冷期間，設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮地埋管的材質(zhì)和循環(huán)介質(zhì)。在溫度過高時(shí)，會出現(xiàn)淺部埋管變形，尤其是對淺層水平埋管要引起足夠重視；如在寒冷地帶，溫度過低，應(yīng)當(dāng)考慮在循環(huán)介質(zhì)中添加防凍液，一般要求防凍液安全、無毒、無腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長等。
2.2年平均氣溫
地源熱泵運(yùn)行最適合冬季熱負(fù)荷和夏季冷負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)，在長期的吸、放熱不平衡情況下會逐漸降低或升高土壤的年平均溫度。土壤溫度每降低1℃,會使提取同樣熱量的能耗增加3～4%。魏先勛等通過對長沙地區(qū)不同深度地溫的長時(shí)間序列觀測，認(rèn)為在同一土壤熱物性情況下同一深度的土壤層內(nèi), 其溫度的日變化和年變化可視為一種余弦函數(shù)形式的諧波；且在地表溫度最低時(shí),地下溫度處于較高狀態(tài), 便于利用熱泵供暖；當(dāng)?shù)乇頊囟茸罡? 地下溫度則是處于較低狀態(tài)，這恰好滿足供冷的需求。
2.3運(yùn)行期間的降雨量
水平埋管受降雨量的影響要比垂直埋管強(qiáng)烈很多，主要原因是土壤的換熱效率隨著土壤含水率的變化而波動。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐亩嗄昶骄涤炅浚硗膺€需考慮覆蓋層滲透性和植被的的影響。
2.4凍結(jié)影響
當(dāng)冬季進(jìn)入埋管中的液體溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮換熱器周圍濕土壤的凍結(jié)潛熱，設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱器尺寸時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這一因素，以免設(shè)計(jì)過于保守。
3、水文地質(zhì)因素對熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響
對土壤源熱泵而言，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的地質(zhì)和水文因素主要有：潛水水位、巖土構(gòu)成、孔隙性等。
3.1潛水水位
淺部巖土體以潛水面為界分為飽和帶和包氣帶，包氣帶是水、介質(zhì)顆粒和空氣組成的三相體，其含水率是空間位置的函數(shù)，而飽和帶則幾乎沒有空氣。水平埋管熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器大多數(shù)處在包氣帶，主要吸收淺部巖土體的熱量，其缺點(diǎn)是在埋深較淺時(shí)受外界氣溫影響較大，運(yùn)行較不穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是易于檢查和修復(fù)，初投資相對低廉。北方地區(qū)常用的垂直埋管穿越包氣帶和飽和帶，潛水面以下溫度隨外界變化小，未受人工擾動的埋管四周巖土體溫度幾乎恒定，其缺點(diǎn)是初投資較高，出現(xiàn)故障難以檢查和修復(fù)。
3.2 巖土構(gòu)成
淺部地層的巖性影響埋管的設(shè)計(jì)。原生巖石的形成溫度和壓力較大，結(jié)構(gòu)致密，巖石顆粒的接觸面積較大，導(dǎo)熱能力強(qiáng)。松散的土壤介質(zhì)顆粒間接觸面積比較小，結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)熱能力弱。所以，在不考慮礦物成分的前提下，巖石的導(dǎo)熱能力比土壤大。在實(shí)際中，即使是同為飽和帶的含水地層，也會因介質(zhì)顆粒成分的差異造成熱擴(kuò)散率的不同。由 可知，熱擴(kuò)散率 是土壤的導(dǎo)熱系數(shù) 、比熱容 和土壤密度 的函數(shù)。但是，因在巖石中埋管要比土壤介質(zhì)中困難的多，費(fèi)用也大大提高。
致密巖石和松散的土層相比，其孔隙率較小，即使有較大孔隙，也通常是處于封閉狀態(tài)的死端孔隙，連通性差。巖石導(dǎo)熱能力比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是鉆進(jìn)費(fèi)用比較高。結(jié)構(gòu)松散的沉積物孔隙率較大，其中的地下水增大了熱容量，水的導(dǎo)通也可提高熱擴(kuò)散速度，流動的地下水更可以降低熱失衡的風(fēng)險(xiǎn)，有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
此外，地埋管設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮可利用場地大小、工作區(qū)巖石的堅(jiān)硬程度、回填材料等因素。莊迎春等對不同回填材料對傳熱性能的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為單獨(dú)使用膨潤土回填具有失水產(chǎn)生裂隙的風(fēng)險(xiǎn)，而使用大骨料（如砂）可以大大增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)，但增加機(jī)械回填難度。
以上各種因素相互影響、相互制約，因此地埋管熱泵系統(tǒng)地下部分的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，它們共同決定了地埋管的深度、數(shù)量和間距，從而共同影響了工程的造價(jià)。
4、結(jié)語
地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)是影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵，在實(shí)踐中，無論是水平埋管還是垂直埋管，都應(yīng)當(dāng)重視和綜合考慮當(dāng)?shù)貧庀?、地質(zhì)、水文地質(zhì)因素，結(jié)合實(shí)際施工條件，設(shè)計(jì)最優(yōu)的井?dāng)?shù)、井距和井深，選擇合理的鉆井工藝和回填材料，以最少的投資費(fèi)用使系統(tǒng)發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡青松, 張?jiān)劀\層土壤熱及其應(yīng)用[J]，工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2005（9）：9-11
[2] 付祥釗等, 兩種地質(zhì)氣候條件對巖土換熱器的影響[J], 暖通空調(diào),2002,32（2）：106-109
[3] 于明志,方肇洪,李明鈞，土壤凍結(jié)對地?zé)釗Q熱器傳熱的影響[J]，山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，16（1）：43-46
[4] 莊迎春, 孫友宏, 謝康和，直埋閉式地源熱泵回填土性能研究[J]，太陽能學(xué)報(bào)，2004，25（2）：217-220
[5] 劉憲英，丁 勇，胡鳴明，淺埋豎管換熱器地?zé)嵩礋岜孟募竟├湓囼?yàn)研究[J]，暖通空調(diào)，2000，30（4）：1-4
[6] 魏先勛等, 土壤源熱泵的研究[J]，湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2000，27（2）：62-65
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直線電話：18515158288（同微信）
