关中地区地源热泵应用研究

宋德军　郭亚宇

摘要：随着国民经济的发展，人民环保意识的提高，具有绿色环保、高效节能等特点的地源热泵系统也越来越受到人民的高度的重视。结合具体工程案例，本文分析了地源热泵技术在关中地区的工程运用及设计步骤，对关中地区某建筑物地源热泵工作机制、主要特点和工程实际方面的应用进行研究，结合整个建筑物的负荷对项目进行优化设计，为同类工程提供借鉴。

Abstract： With the development of national economy and the improvement of people's environmental protection consciousness， the ground source heat pump system accepts more and more people's attention by its characteristics of green environmental protection， high efficiency and energy saving. Combined with specific engineering cases， this paper analyzes the engineering application and design steps of ground source heat pump technology in Guanzhong Area， studies the working mechanism， main characteristics and practical engineering applications of ground source heat pump of a building in Guanzhong Area. Combined with the load of the building， the project design is optimized to provide reference for similar projects.

關键词：地源热泵；地下换热系统；垂直地埋管；冷负荷

Key words： ground source heat pump；ground heat exchanger system；vertically buried pipe；cooling load

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0148-02

0 引言

地源热泵系统是利用地表面浅层吸收的太阳能的热能、地热能中的热能和水源能量（如地下水、河流和湖泊），在冬季向建筑物内供热，在夏季向建筑物供冷，利用少量的高品位的电能，来实现从低品位热能向高温位热能进行热输送的系统。不同地带分布的土壤热物性差别很大。而且不同地域可利用的其它可再生能源状况以及冷热负荷状况亦不相同，地源热泵工程设计必须因地制宜，以当地土壤热物性测试报告为依据，结合当地气候能源环境及空调系统综合考虑。

1 工程概况

本空调系统改造项目位于陕西省西安市，总建筑面积43914m2，热负荷1765.3kW，冷负荷2858.8kW，中央空调系统末端采用风机盘管，冷热源采用地源热泵系统。属于关中地区，见图1，关中渭河谷地内堆积了巨厚的新生代地层。根据钻井资料，谷地地层分别有下第三系户县群的红河、白鹿原、柑河，上第三系的高陵、永乐店（兰田坝河，张家坡），第四系的三门、秦川等，都具有良好的地下热水的储热条件。

工程所在地区见图2，夏季室外计算干球温度35.1℃， 夏季室外计算湿球温度25.8℃，夏季大气压力95.71kPa。冬季室外计算干球温度-3.2℃，冬季相对湿度66%，冬季大气压力98.1kPa，地源热泵系统既可以在冬季从土壤中提出低品位热能用于供暖，又可以在夏季是将室内多余的热量排入地下，形成一个循环。

2 确定地下换热器的埋管形式

地源热泵技术的关键是地下换热器的技术，同时地下换热器设计是整个地源热泵系统设计的重点，也是地源热泵系统区别于其他系统的地方。地下埋管换热器的形式的选择，设计要求的合理性和可行性，将关系到地源热泵系统是否达到相关设计标准，并且影响系统的正常运行以及系统运行的经济性。

选用哪种方式主要取决于场地大小，当地岩土类型及挖掘成本。水平埋管方式埋管相对较浅，所以水平埋管换热器性相对来说不是特别高，并且所占用的面积特别巨大。所以，本次设计应用的是竖直单U型管地下换热器。同时为了保证每个环路之间的水力平衡，采用同程式系统。

3 确定管路连接形式

地下埋管换热器的管路连接方式有两种：串联和并联。地源热泵系统运行费用以及整个系统的经济性决定了管路的连接方式。对于垂直埋管系统来说，考虑到系统的初期投资费用和系统的运行成本，并联的方式是大家普遍采用的。我们的设计是地下埋管换热器应用U型管的并联系统。

4 选择地下换热器管材及竖埋管管径

选择管子直径大小时应从两方面考虑：管径大，能减少循环泵能耗。管径小，能使管内流体处于紊流区，这样流体与管内壁间的换热效果好。目前国内均外广泛采用高密度聚乙烯管材作为地下换热器的埋管管材，管径通常为20～40mm。所以在本次设计中，地下埋管的材料为HDPE高密度聚乙烯管，垂埋管的管径为DN25。

5 地下换热器的设计与布置

根据技术总冷负荷为2858.8kW，确定为两台PSRHH3602型地源机组，其中，夏季制冷时，采用两台机组，冬季制热时，采用两台机组（在室外温度较低时采用两台机组进行制热）。

地下换热器的长度是根据当地的地下状况、周围土壤的初始温度以及地源热泵机组的进出口水温所决定的。参考西安当地的部分工程，取单位管长换热量为48W/m，孔间距为5m，钻孔总用地面积13250m2，对钻孔，采用原浆回填。

6 结论

地源热泵系统是一种效率特别高的节能减排系统，与普通的燃煤锅炉的集中供暖系统相比，这一系统的节能效果达到百分之四十五多。同时可以替代燃料锅炉，可有利于城市生态环境的保护，减少有害气体的排放量，改善大气环境质量，并充分利用可再生资源的常规优质能源，有利于社会的可持续发展和保护。所以地源热泵系统技术具有良好的经济层面的效益，同时具有较高的社会环境效益，具有广阔的市场应用前景。关中盆地地热为2.67×1018千卡，相当于储量的38.1亿吨标准煤，可用于加热1.869×1018千卡，相当于26.7亿吨标准煤，相当于五大煤田。因此，在关中盆地地热资源开发潜力巨大。

随着经济的发展以及可持续发展的观念深入，人们对节能减排的追求更加强烈，地源热泵系统可以节约能源，有利于环保的新技术。系统形式多样，分为水源、地源、水-地源、水-水以及太阳能-地源热泵系统等。我们在选择热泵形式时要结合当地的地形特点、资源优势进行选择，做到因地制宜，同时节约投资，达到系统的最优化设计。再次，针对地下换热器系统又有很多种形式，像是垂直式地埋管、水平式地埋管以及桩埋管式等，我们也要根据资金水平、当地条件以及施工水平进行选择。最后，地埋管的设计是最为重要的，我们要根据地上建筑的冷热负荷进行设计计算，其中要以冷热负荷中的最大值作为负荷标准，做到满足设计要求。同时设备的选择上我们要留足余量。

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