[摘要] 分析了地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的冷熱負(fù)荷確定、地?zé)釗Q熱器的選型、室內(nèi)空氣的氣流組織形式、熱泵的容量等問題進(jìn)行探討。

     [關(guān)鍵詞] 節(jié)能；容量；選型；性能；空氣分配

　　一、前言

　　地源熱泵（Ground-source heat pump）是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵的閉合回路部分由埋于地下的長塑料管組成，該管道埋在地下與土壤耦合，管內(nèi)的流體與土壤之間進(jìn)行換熱。熱泵在閉合回路和室內(nèi)負(fù)荷之間傳遞熱量。該系統(tǒng)由閉式埋管系統(tǒng)，水源熱泵和室內(nèi)分配系統(tǒng)組成。其中分配系統(tǒng)用來對(duì)加熱和冷卻的空氣和水在房間內(nèi)進(jìn)行分配。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可以克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且能效比大大提高。

　　二、地源熱泵的優(yōu)點(diǎn)

　　地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益。地源熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低。深層土地資源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。這種溫度特性使得地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐-制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

　?。?）一機(jī)多用，節(jié)約設(shè)備用房。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置。機(jī)組緊湊、節(jié)省建筑空間，減少一次性投資。

　　（3）保護(hù)環(huán)境。開發(fā)推廣地源熱泵空調(diào)技術(shù)可徹底廢除中小型燃煤鍋爐房，該裝置沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，沒有任何污染，不會(huì)影響城鎮(zhèn)的環(huán)境質(zhì)量。

　?。?）利用再生能源，可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，進(jìn)行能量交換的采暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源量大面廣，無處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此，利用地?zé)岬牡卦礋岜茫且环N可持續(xù)發(fā)展的“綠色裝置”。

　　三、地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　地源熱泵早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)在一些北歐國家的供熱中得到實(shí)際應(yīng)用。隨著人們生活水平的提高，以及人們對(duì)礦物燃料在迅速枯竭以及大量消耗礦物燃料帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染這一嚴(yán)峻性的全球問題的重視，具有顯著節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)的地源熱泵得到了迅速發(fā)展。20世紀(jì)70年代石油危機(jī)以后，美國和加拿大開始在建筑物的供熱和空調(diào)中大量采用地源熱泵技術(shù) ，但此時(shí)主要采用水平埋管的方式。自20世紀(jì)80年代以來，在北美也形成了利用地源熱泵對(duì)建筑物進(jìn)行冷熱聯(lián)供的研究和工程實(shí)踐的新一輪高潮，技術(shù)逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用垂直埋管的換熱器，埋管的深度通常達(dá)100-200米，因此占地面積大大減小， 應(yīng)用范圍也從單獨(dú)民居的空調(diào)向較大型的公共建筑擴(kuò)展。

    如今國外在地源熱泵的應(yīng)用方面已趨于產(chǎn)業(yè)化，熱泵技術(shù)已經(jīng)比較成熟。而地源熱泵系統(tǒng)的研究和開發(fā)在國內(nèi)還屬于剛起步階段。根據(jù)國外部分工程實(shí)例，并針對(duì)我國的國情和實(shí)際可操作性，下面分析一下該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需要注意的問題：

　?。?）確定建筑物的冷熱設(shè)計(jì)負(fù)荷

　　設(shè)計(jì)負(fù)荷是用來確定系統(tǒng)設(shè)備的大小和型號(hào)的，根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷設(shè)計(jì)空氣分布系統(tǒng)（送風(fēng)口，回風(fēng)口和風(fēng)管系統(tǒng)），設(shè)計(jì)負(fù)荷的計(jì)算必須以當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)日的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況為依據(jù)。在確定建筑物的最大負(fù)荷時(shí)，必須逐時(shí)計(jì)算出每個(gè)房間、每個(gè)區(qū)域所必需的負(fù)荷信息，并求出其中的最大值。 為了進(jìn)一步分析地源熱泵系統(tǒng)的能耗情況，必須對(duì)建筑物進(jìn)行必要的能耗計(jì)算。通常所采用的方法有：度日法，溫頻法和逐時(shí)法。

　　度日法是最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，但通常結(jié)果不理想。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行效率取決于室外空氣條件時(shí)，不能采用度日法計(jì)算該系統(tǒng)的能耗，例如地源熱泵系統(tǒng)。

　　溫頻法是將全年溫度劃分為若干組，分別計(jì)算系統(tǒng)在每個(gè)溫度組內(nèi)的能耗量。溫頻法考慮到了外空氣的影響和部分負(fù)荷工況的影響，而且該方法可以通過精確劃分滿足特殊系統(tǒng)的要求。溫頻法計(jì)算能耗對(duì)于手算　和計(jì)算機(jī)計(jì)算都很方便。 逐時(shí)法主要是用于需要確定大量細(xì)節(jié)的大型建筑的能耗計(jì)算，由于其計(jì)算量非常大，通常采用計(jì)算機(jī)計(jì)算。

　　（2）熱泵系統(tǒng)的選擇

　　對(duì)住宅和商業(yè)系統(tǒng)來說，設(shè)備通常是一個(gè)機(jī)組模塊，一旦選定一個(gè)機(jī)組，則許多參數(shù)都是固定的，調(diào)節(jié)的余地不大。例如，水源熱泵的設(shè)計(jì)水流量的調(diào)節(jié)范圍也是有限的。因此，系統(tǒng)的其他部分如風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)或地?zé)釗Q熱器以及防凍循環(huán)泵等都必須與熱泵的制熱（冷）量要求相匹配。在大型建筑熱泵系統(tǒng)內(nèi)，一般要采用二次輸送系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，中央機(jī)組的確定應(yīng)滿足建筑物的最大負(fù)荷。而二次輸送系統(tǒng)中的空氣處理器的換熱能力應(yīng)滿足該區(qū)域的當(dāng)?shù)刎?fù)荷。

    ①熱泵容量的選擇：

　　熱力循環(huán)原理表明同一熱泵不可能同時(shí)滿足冷熱兩種負(fù)荷。選擇熱泵容量的依據(jù)究竟是熱負(fù)荷還是冷負(fù)荷呢？這個(gè)問題的解決首先要考慮人的舒適感。當(dāng)系統(tǒng)的制冷量大于冷負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)必須頻繁的啟動(dòng)，這會(huì)造成盤管的平均溫度升高，同時(shí)又不能去除室內(nèi)空氣中的濕度，頻繁的循環(huán)還會(huì)降低設(shè)備的使用壽命，降低運(yùn)行效率，增加制冷過程的運(yùn)行費(fèi)用。設(shè)備選得過大也會(huì)增加系統(tǒng)的初投資。因此，在山東地區(qū)選擇熱泵應(yīng)該以冷負(fù)荷為依據(jù)。由于在北方地區(qū)熱負(fù)荷相對(duì)較高，而夏季的潛熱相對(duì)較低，在這種情況下，設(shè)備容量的選擇可以適當(dāng)偏大，但一般不要超過冷負(fù)荷的25%。

   ②熱泵性能的確定：

　　假定其他變量如空氣體積流量，室內(nèi)空氣溫度等保持不變，則地源熱泵的性能取決于熱泵的進(jìn)水溫度，必須確定室外空氣和進(jìn)水溫度之間的關(guān)系。進(jìn)水溫度與多個(gè)因素有關(guān)，如一年的運(yùn)行時(shí)間，土壤類型，地?zé)釗Q熱器的類型、大小等。當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，如果系統(tǒng)不頻繁運(yùn)行，進(jìn)水溫度大約和地下土壤的溫度相同。

　?、鄣?zé)釗Q熱器的負(fù)荷計(jì)算：

　　地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)需要知道在某一特定階段內(nèi)從地下吸取的熱量或釋放到地下的熱量，通常應(yīng)滿足一年中最冷月和最熱月的要求。在供冷季節(jié)，輸入系統(tǒng)的所有能量都必須釋放到地下，這些能量包括系統(tǒng)熱負(fù)荷、系統(tǒng)耗功量和地?zé)釗Q熱器循環(huán)泵的耗功量。循環(huán)泵耗功量可近似為泵的耗功量與熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)的乘積。在供熱季節(jié)，從地下吸收的熱量等于設(shè)備的制熱量減去輸入的電功。輸入的熱量包括壓縮機(jī)耗功量和地?zé)釗Q熱器循環(huán)泵的耗功量。

　?、艿?zé)釗Q熱器的選型：

　　地?zé)釗Q熱器的選型包括型式和結(jié)構(gòu)的選取，對(duì)于給定的建筑場(chǎng)地條件應(yīng)盡量使設(shè)計(jì)在滿足運(yùn)行需要的同時(shí)成本最低。地?zé)釗Q熱器的選型主要涉及以下幾個(gè)方面：

　　a）地?zé)釗Q熱器的布置型式，包括埋管方式和聯(lián)結(jié)方式。

　　埋管方式可分為水平式和垂直式，選擇主要取決于場(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀?，如果?chǎng)地足夠大且無堅(jiān)硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì)；如果場(chǎng)地面積有限時(shí)則采用垂直式布置，很多場(chǎng)合下這是唯一的選擇，如果場(chǎng)地土中有堅(jiān)硬的巖石，用鉆巖石的鉆頭可以成功鉆孔。聯(lián)結(jié)方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，在串聯(lián)系統(tǒng)中只有一個(gè)流體通道，而并聯(lián)系統(tǒng)中流體在管路中可有兩個(gè)以上的流道。采用串聯(lián)或并聯(lián)取決于成本的大小，串聯(lián)系統(tǒng)較并聯(lián)系統(tǒng)采用的管子管徑要大，而大直徑的管子成本要高。另外，由于管徑較大，系統(tǒng)所需的防凍液也較多，管子重量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致安裝的勞動(dòng)力成本也較大。

　　b）塑料管的選擇，包括材料、管徑、長度、循環(huán)流體的壓頭損失。聚乙烯是地?zé)釗Q熱器中最常用的管子材料。這種管材的柔韌性好，且可以通過加熱熔合形成比管子自身強(qiáng)度更好的連接接頭。

　　管徑的選擇需要遵循以下兩條原則：其一，管徑足夠大，使得循環(huán)泵的能耗較?。黄涠?，管徑足夠小，以使管內(nèi)的流體處于紊流區(qū)，使流體和管內(nèi)壁之間的換熱效果好。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到安裝成本的大小問題。

　　管子的長度取決于流體流量和允許的壓頭損失。一般情況下，流體流過熱泵的水換熱器的壓頭損失與流體流過地?zé)釗Q熱器以及相關(guān)管道的壓頭損失大小大致相當(dāng)。

　　c）循環(huán)泵的選擇。

　　選擇的循環(huán)泵應(yīng)該能夠滿足驅(qū)動(dòng)流體持續(xù)的流過熱泵和地?zé)釗Q熱泵，而且消耗功率較低。一般在設(shè)計(jì)中循環(huán)泵應(yīng)能夠達(dá)到每噸循環(huán)液所需的功率為100W的耗能水平。

　?。?）選擇室內(nèi)空氣分布系統(tǒng)

　　地源熱泵系統(tǒng)的室內(nèi)分配系統(tǒng)選擇相當(dāng)靈活，可以采用多種方式。例如：風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，地板采暖方式，全空氣系統(tǒng)等。通常采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時(shí)，空氣分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下三個(gè)方面：

　　①選擇安裝風(fēng)管的最佳位置；

　?、诟鶕?jù)室內(nèi)的得熱量/熱損失計(jì)算來選擇并確定空氣分布器和回風(fēng)格柵的位置；

　?、鄹鶕?jù)熱泵的風(fēng)量和靜壓力，布置風(fēng)管的走向，確定風(fēng)管的尺寸。

　　室內(nèi)分配系統(tǒng)一般采用既能供熱又能供冷，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須二者兼顧。一個(gè)不能提供舒適性環(huán)境的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效率必然很低。地源熱泵系統(tǒng)通常采用兩種類型的送風(fēng)系統(tǒng)：地板四周下送風(fēng)系統(tǒng)和吊頂上送風(fēng)系統(tǒng)。

　　對(duì)于只有一層的建筑來說，熱泵系統(tǒng)的送風(fēng)裝置的理想安裝位置就是沿房間外墻地板或四周的地板。這種送風(fēng)方式是處理過的空氣形成一股垂直向上分散的氣流，這使系統(tǒng)無論在冬季還是夏季都能保證良好的氣流分布和良好的舒適感。地板下送風(fēng)系統(tǒng)通常采用吊頂回風(fēng)或上回風(fēng)方式回風(fēng)。上回風(fēng)系統(tǒng)中，頂棚周圍的熱空氣由于虹吸作用被吸入回風(fēng)管內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)冷空氣從地板下向上流動(dòng)，并充滿整個(gè)房間。由于在制冷運(yùn)行期間，將最熱的空氣返回系統(tǒng)，故系統(tǒng)的效率較高。

　　由于經(jīng)過地源熱泵系統(tǒng)處理的空氣比空氣源熱泵處理的空氣溫度高，但比從鍋爐出來的空氣溫度要低，為了保證能有一個(gè)舒適的環(huán)境，設(shè)計(jì)的風(fēng)管和空氣分布器應(yīng)能向室內(nèi)送入足夠的風(fēng)量。

　　四、工程實(shí)例

　　山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告廳采用地源熱泵系統(tǒng)。該工程位于建工學(xué)院新建圖書館的二層，總建筑面積500平方米，總座位480個(gè)。報(bào)告廳下面一樓為學(xué)生自習(xí)室，結(jié)合教研需要，采用地源熱泵加地板采暖的方式采暖。

　　學(xué)術(shù)報(bào)告廳空調(diào)熱負(fù)荷為79.4kW，空調(diào)冷負(fù)荷為110kW。學(xué)生自習(xí)室采暖熱負(fù)荷為43.7kW。熱泵機(jī)組選性：采用煙臺(tái)荏原空調(diào)有限公司和濰坊宏力冷暖設(shè)備有限公司生產(chǎn)的水—水型熱泵機(jī)組。

    地?zé)釗Q熱器部分：采用垂直地下埋管系統(tǒng)。垂直埋管埋于圖書館前的廣場(chǎng)上，鋪設(shè)完畢后以草坪覆蓋。地下埋管采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，共25組，孔深60米。

　　五、結(jié)束語

　　作為一種高效的環(huán)保節(jié)能綠色產(chǎn)品，地源熱泵在我國有著廣闊的應(yīng)用前景。它的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.