[摘要] 分析了地源熱泵系統(tǒng)的特點,對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計過程中經(jīng)常遇到的冷熱負荷確定、地熱換熱器的選型、室內(nèi)空氣的氣流組織形式、熱泵的容量等問題進行探討。

     [關鍵詞] 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熱資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），實現(xiàn)低溫熱源向高溫熱源的轉移。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行換熱。熱泵在閉合回路和室內(nèi)負荷之間傳遞熱量。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)用來對加熱和冷卻的空氣和水在房間內(nèi)進行分配。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障礙，且能效比大大提高。

　　二、地源熱泵的優(yōu)點

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

　?。?）節(jié)能、運行費用低。深層土地資源的溫度一年四季相對穩(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)運行效率要高約40%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐-制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

　?。?）一機多用，節(jié)約設備用房。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。機組緊湊、節(jié)省建筑空間，減少一次性投資。

　?。?）保護環(huán)境。開發(fā)推廣地源熱泵空調(diào)技術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，不會影響城鎮(zhèn)的環(huán)境質量。

　?。?）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熱資源作為冷熱源，進行能量交換的采暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地熱資源量大面廣，無處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此，利用地熱的地源熱泵，是一種可持續(xù)發(fā)展的“綠色裝置”。

　　三、地源熱泵系統(tǒng)的設計

　　地源熱泵早在20世紀50年代就已經(jīng)在一些北歐國家的供熱中得到實際應用。隨著人們生活水平的提高，以及人們對礦物燃料在迅速枯竭以及大量消耗礦物燃料帶來了嚴重的環(huán)境污染這一嚴峻性的全球問題的重視，具有顯著節(jié)能、環(huán)保特點的地源熱泵得到了迅速發(fā)展。20世紀70年代石油危機以后，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 ，但此時主要采用水平埋管的方式。自20世紀80年代以來，在北美也形成了利用地源熱泵對建筑物進行冷熱聯(lián)供的研究和工程實踐的新一輪高潮，技術逐漸趨于成熟。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100-200米，因此占地面積大大減小， 應用范圍也從單獨民居的空調(diào)向較大型的公共建筑擴展。

    如今國外在地源熱泵的應用方面已趨于產(chǎn)業(yè)化，熱泵技術已經(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)國外部分工程實例，并針對我國的國情和實際可操作性，下面分析一下該系統(tǒng)設計時所需要注意的問題：

　?。?）確定建筑物的冷熱設計負荷

　　設計負荷是用來確定系統(tǒng)設備的大小和型號的，根據(jù)設計負荷設計空氣分布系統(tǒng)（送風口，回風口和風管系統(tǒng)），設計負荷的計算必須以當?shù)卦O計日的標準設計工況為依據(jù)。在確定建筑物的最大負荷時，必須逐時計算出每個房間、每個區(qū)域所必需的負荷信息，并求出其中的最大值。 為了進一步分析地源熱泵系統(tǒng)的能耗情況，必須對建筑物進行必要的能耗計算。通常所采用的方法有：度日法，溫頻法和逐時法。

　　度日法是最簡單的計算方法，但通常結果不理想。當系統(tǒng)運行效率取決于室外空氣條件時，不能采用度日法計算該系統(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，分別計算系統(tǒng)在每個溫度組內(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。溫頻法計算能耗對于手算　和計算機計算都很方便。 逐時法主要是用于需要確定大量細節(jié)的大型建筑的能耗計算，由于其計算量非常大，通常采用計算機計算。

　?。?）熱泵系統(tǒng)的選擇

　　對住宅和商業(yè)系統(tǒng)來說，設備通常是一個機組模塊，一旦選定一個機組，則許多參數(shù)都是固定的，調(diào)節(jié)的余地不大。例如，水源熱泵的設計水流量的調(diào)節(jié)范圍也是有限的。因此，系統(tǒng)的其他部分如風機盤管系統(tǒng)或地熱換熱器以及防凍循環(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，中央機組的確定應滿足建筑物的最大負荷。而二次輸送系統(tǒng)中的空氣處理器的換熱能力應滿足該區(qū)域的當?shù)刎摵伞?/span>

    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滿足冷熱兩種負荷。選擇熱泵容量的依據(jù)究竟是熱負荷還是冷負荷呢？這個問題的解決首先要考慮人的舒適感。當系統(tǒng)的制冷量大于冷負荷時，系統(tǒng)必須頻繁的啟動，這會造成盤管的平均溫度升高，同時又不能去除室內(nèi)空氣中的濕度，頻繁的循環(huán)還會降低設備的使用壽命，降低運行效率，增加制冷過程的運行費用。設備選得過大也會增加系統(tǒng)的初投資。因此，在山東地區(qū)選擇熱泵應該以冷負荷為依據(jù)。由于在北方地區(qū)熱負荷相對較高，而夏季的潛熱相對較低，在這種情況下，設備容量的選擇可以適當偏大，但一般不要超過冷負荷的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水溫度，必須確定室外空氣和進水溫度之間的關系。進水溫度與多個因素有關，如一年的運行時間，土壤類型，地熱換熱器的類型、大小等。當季節(jié)變化時，如果系統(tǒng)不頻繁運行，進水溫度大約和地下土壤的溫度相同。

　　③地熱換熱器的負荷計算：

　　地熱換熱器的設計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)熱負荷、系統(tǒng)耗功量和地熱換熱器循環(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行小時數(shù)的乘積。在供熱季節(jié)，從地下吸收的熱量等于設備的制熱量減去輸入的電功。輸入的熱量包括壓縮機耗功量和地熱換熱器循環(huán)泵的耗功量。

　　④地熱換熱器的選型：

　　地熱換熱器的選型包括型式和結構的選取，對于給定的建筑場地條件應盡量使設計在滿足運行需要的同時成本最低。地熱換熱器的選型主要涉及以下幾個方面：

　　a）地熱換熱器的布置型式，包括埋管方式和聯(lián)結方式。

　　埋管方式可分為水平式和垂直式，選擇主要取決于場地大小、當?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀荆绻麍龅刈銐虼笄覠o堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟；如果場地面積有限時則采用垂直式布置，很多場合下這是唯一的選擇，如果場地土中有堅硬的巖石，用鉆巖石的鉆頭可以成功鉆孔。聯(lián)結方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，在串聯(lián)系統(tǒng)中只有一個流體通道，而并聯(lián)系統(tǒng)中流體在管路中可有兩個以上的流道。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，管子重量也相應增大，導致安裝的勞動力成本也較大。

　　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。聚乙烯是地熱換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)泵的能耗較小；其二，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。同時在設計時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熱換熱器以及相關管道的壓頭損失大小大致相當。

　　c）循環(huán)泵的選擇。

　　選擇的循環(huán)泵應該能夠滿足驅動流體持續(xù)的流過熱泵和地熱換熱泵，而且消耗功率較低。一般在設計中循環(huán)泵應能夠達到每噸循環(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)選擇相當靈活，可以采用多種方式。例如：風機盤管系統(tǒng)，地板采暖方式，全空氣系統(tǒng)等。通常采用風機盤管系統(tǒng)時，空氣分布系統(tǒng)的設計主要考慮以下三個方面：

　　①選擇安裝風管的最佳位置；

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

　　③根據(jù)熱泵的風量和靜壓力，布置風管的走向，確定風管的尺寸。

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

　　對于只有一層的建筑來說，熱泵系統(tǒng)的送風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。地板下送風系統(tǒng)通常采用吊頂回風或上回風方式回風。上回風系統(tǒng)中，頂棚周圍的熱空氣由于虹吸作用被吸入回風管內(nèi)，當系統(tǒng)開始運行時冷空氣從地板下向上流動，并充滿整個房間。由于在制冷運行期間，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，為了保證能有一個舒適的環(huán)境，設計的風管和空氣分布器應能向室內(nèi)送入足夠的風量。

　　四、工程實例

　　山東建筑工程學院學術報告廳采用地源熱泵系統(tǒng)。該工程位于建工學院新建圖書館的二層，總建筑面積500平方米，總座位480個。報告廳下面一樓為學生自習室，結合教研需要，采用地源熱泵加地板采暖的方式采暖。

　　學術報告廳空調(diào)熱負荷為79.4kW，空調(diào)冷負荷為110kW。學生自習室采暖熱負荷為43.7kW。熱泵機組選性：采用煙臺荏原空調(diào)有限公司和濰坊宏力冷暖設備有限公司生產(chǎn)的水—水型熱泵機組。

    地熱換熱器部分：采用垂直地下埋管系統(tǒng)。垂直埋管埋于圖書館前的廣場上，鋪設完畢后以草坪覆蓋。地下埋管采用并聯(lián)結構，共25組，孔深60米。

　　五、結束語

　　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用前景。它的應用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益.