地埋管地源熱泵系統設計概述

鄒鋒

地埋管地源熱泵系統設計概述

鄒鋒

Di mai guan di yuan re beng xi tong she ji gai shu

一、地源熱泵系統的定義及分類

以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統，統稱為地源熱泵系統。地源熱泵系統根據地熱能交換系統形式的不同，分為地埋管地源熱泵系統（簡稱地埋管系統） 、地下水地源熱泵系統（簡稱地下水系統）和地表水地源熱泵系統（簡稱地表水系統） 。其中地埋管地源熱泵系統，也稱土壤源地源熱泵系統。

地埋管地源熱泵系統是利用地下土壤作為熱泵低位熱源的熱泵系統，主要包括3套管路系統：室外管路系統、工質循環系統及室內空調管路系統。室外管路系統其實是一個土壤耦合地熱交換器，通過中間介質（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質在土壤耦合地熱交換器的封閉環路中循環流動，從而實現與大地土壤進行熱交換的目的。冬季時，從土壤中吸收熱，經過熱泵提升后，將熱量供給熱用戶，同時在土壤中儲存冷量，以備夏季空調用。夏季時，將室內的余熱經過熱泵轉移后通過埋地盤管釋放到土壤，同時儲存熱量，以備冬季采暖用。

二、地埋管地源熱泵系統的設計特點

1.地源熱泵系統受低位熱源條件的制約

對于地埋管系統，除了要有足夠埋管區域，還要有比較適合的巖土體特性。由于埋管換熱器中循環介質與大地巖土間的換熱情況相當復雜，因此土壤源熱泵空調系統的設計難點主要集中在地下換熱器的設計上。埋管形式、埋管或豎井的間距、埋深、管徑、循環介質的流量等既是影響埋管換熱器與大地巖土間換熱的重要因素，又是構成埋管換熱器具體形式的主要參數。當然其中地下巖土的熱物性對傳熱的能力影響很大。

為此，《地源熱泵系統工程技術規范》的強制性條文規定：地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘察。

2.地源熱泵系統受低位熱源的影響很大

低位熱源的不定因素非常多，不同的地區、不同的氣象條件，甚至同一地區，不同區域，低位熱源也會有很大差異，這些因素都會對地源熱泵系統設計帶來影響。

3.設計相對復雜

（1）低位熱源換熱系統是地源熱泵系統設計的關鍵和難點。地下換熱過程是一個復雜的非穩態過程，影響因素眾多，計算過程復雜，通常需要借助專用軟件才能實現。

（2）地源熱泵系統設計應考慮低位熱源長期運行的穩定性。方案設計時應對若干年后巖土體的溫度變化進行預測，根據預測結果確定應采用的系統方案。

（3）地源熱泵系統與常規系統相比，增加了低位熱源換熱部分的投資，且投資比例較高，為了提高地源熱泵系統的綜合效益，或由于受客觀條件限制，低位熱源不能滿足供熱或供冷要求時，通常采用輔助冷熱源與地源熱泵系統相結合的方式，無形中提高了方案設計的難度。

三、地埋管地源熱泵系統的設計方法

1.由于地埋管系統是否能夠可靠運行取決于埋管區域巖土體溫度是否能長期穩定，因此在地埋管換熱系統設計前，應對工程場區內巖土體地質條件進行勘察。應根據工程勘察結果，對地埋管換熱系統實施的可行性及經濟性進行評估。

2.空調冷、熱負荷的計算

地埋管換熱系統設計應進行全年供暖空調動態負荷計算，最小計算周期宜為1年。計算周期內，地源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量基本平衡。

地源熱泵系統最大釋熱量與建筑設計冷負荷相對應，系統最大吸熱量與建筑設計熱負荷相對應。

3.地埋管換熱器的設計

地下埋管換熱器是地埋管地源熱泵系統設計的核心內容，其選擇的形式是否合理，設計的是否正確，關系到整個地源熱泵系統能否滿足要求和正常使用。設計原則：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盡可能降低初投資及運行費用。

地埋管換熱器的設計及選型主要涉及以下幾個方面：

（1）初步確定一種埋地換熱器的埋置方式以及埋管的位置。

（2）管材的選擇與確定。

（3）初步確定地下土壤的溫度以及地下土壤的最高和最低溫度。

（4）初步確定地下熱泵機組的最高和最低進水溫度。

（5）初步確定地下土壤與地下換熱器之間的溫差。

（6）初步計算管道和循環介質換熱的熱阻；初步計算管道和土壤換熱的熱阻。

（7）初步計算供熱和制冷流程因子。

（8）初步計算埋地換熱器的管道長度。

（9）對所有計算結果進行評估優化，進行調整。

（10）確定埋地換熱器循環水泵和集分水器、排氣設施等附件。

4.對地源熱泵系統的優化設計

（1）對動態負荷計算的要求

由于地源熱泵系統最大釋熱量與建筑設計總冷負荷相對應，系統最大吸熱量與建筑設計總熱負荷相對應。必須對建筑全年動態冷、熱負荷進行計算。

（2）混合式系統的選擇和調峰比例的確定

就是對輔助冷熱源優化配置。帶輔助冷熱源的混合式系統，由于可有效減少埋管數量，同時也可保證地埋管系統吸、釋熱量平衡，因此已成為地源熱泵系統應用的主要形式。對混合式系統的優化模擬分析，即以壽命周期內費用最低為目標，對混合式系統運行能耗及投資情況進行模擬計算分析，優化配置輔助加熱及散熱設備，這也是目前國際上廣泛研究與分析的熱點。

四、地埋管地源熱泵系統應用的問題

1.地埋管地源熱泵系統的推廣出現了一定程度的盲目性，許多項目在沒有對當地資源狀況進行充分評估的情況下就匆匆上馬,造成了地源熱泵系統工作不正常,反而不能發揮其節能效果 。

2.目前許多項目的地埋管換熱設計交給專業工程公司完成。通常專業公司僅僅只是根據設計負荷，按經驗估算確定埋管數量及埋深，對動態負荷的影響缺乏分析，對長期運行效果沒有預測，造成地埋管區域巖土體溫度持續升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統的運行效率。

3.地下土壤的熱平衡問題

維持地源熱泵地下埋管換熱器系統的吸、排熱平衡是地源熱泵系統正常、高效運行的可靠保證。地埋管地源熱泵的熱平衡問題完全可以通過系統的合理設計和規范化的運行管理進行解決，常用的解決方法：

（1）條件適合時適當放大埋管間距，并設置監測系統。

（2）加強運行管理，輪換土壤換熱器分組回路使用。

（3）采用帶有熱回收技術的熱泵機組有利于熱平衡，且可以提供廉價的生活熱水。

（4）可以采取輔助加熱（或冷卻）方式 ,把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統稱為混合式地源熱泵系統。

4.土壤凍結對埋管換熱器傳熱的影響

在北方寒冷地區，冬季進入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結。根據定性分析,水分凍結時，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度越小，水分越多,釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設計中不考慮土壤中水分凍結的影響，計算出的地下埋管周圍的溫度場偏低與實際情況偏差較大，水分越多，差別越大，因此設計中應考慮水分凍結的影響。

5.地源熱泵空調工程的設計需著重提高系統能效比以及季節能效比

民用建筑空調負荷的特點是隨時間變化大，峰值負荷與谷值負荷相差大，因此季節能效比的高低是衡量空調系統和設備的又一個重要指標。選用部分負荷綜合系數高的熱泵機組、對水系統實行變流量控制，都是有效提高空調系統季節能效比的措施。因此整個系統的能效比，更能體現系統和方案的優劣性。

五、結語

地埋管地源熱泵空調系統是一項跨專業、跨學科的綜合能源利用技術，需要通過相關專業技術人員的通力協作，做好勘測、設計、施工、調試等各項工作才能使系統達到要求的節能、環保性能。積極對實際運行經驗進行總結，使地源熱泵這項可再生能源利用技術得到健康有序的發展。

（作者單位：鄭州市建筑設計院）