地埋管地源热泵系统设计概述

邹锋

地埋管地源热泵系统设计概述

邹锋

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

一、地源热泵系统的定义及分类

以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，统称为地源热泵系统。地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同，分为地埋管地源热泵系统（简称地埋管系统） 、地下水地源热泵系统（简称地下水系统）和地表水地源热泵系统（简称地表水系统） 。其中地埋管地源热泵系统，也称土壤源地源热泵系统。

地埋管地源热泵系统是利用地下土壤作为热泵低位热源的热泵系统，主要包括3套管路系统：室外管路系统、工质循环系统及室内空调管路系统。室外管路系统其实是一个土壤耦合地热交换器，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。冬季时，从土壤中吸收热，经过热泵提升后，将热量供给热用户，同时在土壤中储存冷量，以备夏季空调用。夏季时，将室内的余热经过热泵转移后通过埋地盘管释放到土壤，同时储存热量，以备冬季采暖用。

二、地埋管地源热泵系统的设计特点

1.地源热泵系统受低位热源条件的制约

对于地埋管系统，除了要有足够埋管区域，还要有比较适合的岩土体特性。由于埋管换热器中循环介质与大地岩土间的换热情况相当复杂，因此土壤源热泵空调系统的设计难点主要集中在地下换热器的设计上。埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等既是影响埋管换热器与大地岩土间换热的重要因素，又是构成埋管换热器具体形式的主要参数。当然其中地下岩土的热物性对传热的能力影响很大。

为此，《地源热泵系统工程技术规范》的强制性条文规定：地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。

2.地源热泵系统受低位热源的影响很大

低位热源的不定因素非常多，不同的地区、不同的气象条件，甚至同一地区，不同区域，低位热源也会有很大差异，这些因素都会对地源热泵系统设计带来影响。

3.设计相对复杂

（1）低位热源换热系统是地源热泵系统设计的关键和难点。地下换热过程是一个复杂的非稳态过程，影响因素众多，计算过程复杂，通常需要借助专用软件才能实现。

（2）地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳定性。方案设计时应对若干年后岩土体的温度变化进行预测，根据预测结果确定应采用的系统方案。

（3）地源热泵系统与常规系统相比，增加了低位热源换热部分的投资，且投资比例较高，为了提高地源热泵系统的综合效益，或由于受客观条件限制，低位热源不能满足供热或供冷要求时，通常采用辅助冷热源与地源热泵系统相结合的方式，无形中提高了方案设计的难度。

三、地埋管地源热泵系统的设计方法

1.由于地埋管系统是否能够可靠运行取决于埋管区域岩土体温度是否能长期稳定，因此在地埋管换热系统设计前，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察。应根据工程勘察结果，对地埋管换热系统实施的可行性及经济性进行评估。

2.空调冷、热负荷的计算

地埋管换热系统设计应进行全年供暖空调动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量基本平衡。

地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应，系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。

3.地埋管换热器的设计

地下埋管换热器是地埋管地源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。设计原则：对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时尽可能降低初投资及运行费用。

地埋管换热器的设计及选型主要涉及以下几个方面：

（1）初步确定一种埋地换热器的埋置方式以及埋管的位置。

（2）管材的选择与确定。

（3）初步确定地下土壤的温度以及地下土壤的最高和最低温度。

（4）初步确定地下热泵机组的最高和最低进水温度。

（5）初步确定地下土壤与地下换热器之间的温差。

（6）初步计算管道和循环介质换热的热阻；初步计算管道和土壤换热的热阻。

（7）初步计算供热和制冷流程因子。

（8）初步计算埋地换热器的管道长度。

（9）对所有计算结果进行评估优化，进行调整。

（10）确定埋地换热器循环水泵和集分水器、排气设施等附件。

4.对地源热泵系统的优化设计

（1）对动态负荷计算的要求

由于地源热泵系统最大释热量与建筑设计总冷负荷相对应，系统最大吸热量与建筑设计总热负荷相对应。必须对建筑全年动态冷、热负荷进行计算。

（2）混合式系统的选择和调峰比例的确定

就是对辅助冷热源优化配置。带辅助冷热源的混合式系统，由于可有效减少埋管数量，同时也可保证地埋管系统吸、释热量平衡，因此已成为地源热泵系统应用的主要形式。对混合式系统的优化模拟分析，即以寿命周期内费用最低为目标，对混合式系统运行能耗及投资情况进行模拟计算分析，优化配置辅助加热及散热设备，这也是目前国际上广泛研究与分析的热点。

四、地埋管地源热泵系统应用的问题

1.地埋管地源热泵系统的推广出现了一定程度的盲目性，许多项目在没有对当地资源状况进行充分评估的情况下就匆匆上马,造成了地源热泵系统工作不正常,反而不能发挥其节能效果 。

2.目前许多项目的地埋管换热设计交给专业工程公司完成。通常专业公司仅仅只是根据设计负荷，按经验估算确定埋管数量及埋深，对动态负荷的影响缺乏分析，对长期运行效果没有预测，造成地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。

3.地下土壤的热平衡问题

维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。地埋管地源热泵的热平衡问题完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行解决，常用的解决方法：

（1）条件适合时适当放大埋管间距，并设置监测系统。

（2）加强运行管理，轮换土壤换热器分组回路使用。

（3）采用带有热回收技术的热泵机组有利于热平衡，且可以提供廉价的生活热水。

（4）可以采取辅助加热（或冷却）方式 ,把这种带有辅助加热(或冷却)的系统称为混合式地源热泵系统。

4.土壤冻结对埋管换热器传热的影响

在北方寒冷地区，冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在0℃以下，换热器周围含湿量的土壤可能冻结。根据定性分析,水分冻结时，有大量的潜热被释放出来，因此在吸收同等数量的热量情况下，土壤降低的温度幅度越小，水分越多,释放的潜热越多，温度降低幅度越小，在邻近换热器埋管的土壤温度越高。如果设计中不考虑土壤中水分冻结的影响，计算出的地下埋管周围的温度场偏低与实际情况偏差较大，水分越多，差别越大，因此设计中应考虑水分冻结的影响。

5.地源热泵空调工程的设计需着重提高系统能效比以及季节能效比

民用建筑空调负荷的特点是随时间变化大，峰值负荷与谷值负荷相差大，因此季节能效比的高低是衡量空调系统和设备的又一个重要指标。选用部分负荷综合系数高的热泵机组、对水系统实行变流量控制，都是有效提高空调系统季节能效比的措施。因此整个系统的能效比，更能体现系统和方案的优劣性。

五、结语

地埋管地源热泵空调系统是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。积极对实际运行经验进行总结，使地源热泵这项可再生能源利用技术得到健康有序的发展。

（作者单位：郑州市建筑设计院）