土壤源热泵系统应用研究

杨 勇 庞瑞雪 毕洪泉

（北京嘉华新源科技有限公司）

土壤源热泵系统应用研究

杨 勇 庞瑞雪 毕洪泉

（北京嘉华新源科技有限公司）

地源热泵，土壤源热泵

土壤源热泵作为地源热泵的一类，克服了地表水、地下水地源热泵的一些缺点，在应用中具有其独特的优势，是一种高效、节能、环保，有利于可持续发展的空调方式。土壤源热泵技术为解决能源危机与环境污染提供有效途径，为绿色能源发展奠定基础，在我国应用前景广泛，受到国家建设部大力推荐。但是任何事情都是利弊共存，只有更好的认识地源热泵，才能取长补短，为我们所用。

一、土壤源系统概述

土壤源热泵系通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移，是一种非常节能的采暖、制冷方式，与地下水隔离，有效防止污染。地能在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量排出来，释放到地下去。

二、常见地源热泵应用条件

1、地表水地源热泵系统应用条件

1) 建筑项目附近有丰富的地表水（例如：江水、河水、湖水、海水、水库水、污水、中水、地热尾水、工业废水等等）。

2) 水量充足，水温适度，水质经简单处理能达到使用要求。

2、地下水地源热泵系统应用条件

1) 建筑项目附近地下水资源丰富，并便于实施供回水工程。

2) 地方政策允许利用地下水。

3) 地下水温适度，水质适宜，供水稳定，回灌顺畅。

3、土壤源热泵系统（地埋管）应用条件

1) 建筑物附近缺乏水资源或因各种因素限制，无法利用水资源。

2) 建筑物附近有足够场地敷设“地埋管”。（例如：办公楼前后场地、别墅花园、学校运动场等等）。

三、土壤源热泵系统设计基本概要

1、系统冬季从地下提热量=末端空调热负荷－冬季机组输入功率。

2、系统夏季向地下排热量=末端空调冷负荷＋夏季机组输入功率。

3、按冬季从地下提热量计算地源井米数为：地源井米数=系统冬季从地下提热量/单位井深提热量。

4、按夏季向地下排热量计算地源井米数为：地源井米数=系统夏季向地下排热量/单位井深排热量。

5、影响单位井深换热量的首要因素是土壤温度，其次为土壤导热系数等，具体准确数值需通过项目所在地的土壤热物性测试得到。

6、打井数目=地源井米数/地源孔深。

7、PE管路承受的最大压力=地埋管系统定压+水泵扬程；一般来说，PE管路公称压力不低于1.0MPa即可。

8、地埋管各竖井流量平衡，DE50以下PE管流速宜0.6～1.2 m/s，比摩阻宜100～300pa/m；冬季系统运行时，地下管路尽量不加防冻液。 夏季运行期间，地埋管换热器出口温度宜低于33℃； 冬季运行期间，地埋管换热器进口温度宜高于4℃。 地源热泵系统总放热量宜与其总吸热量相平衡。

9、竖直地埋管换热器钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3～6m。水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。 每对供、回水环路集管连接的地埋管环路数宜相等。

四、地埋管系统常见问题

1、地埋管系统冬季提热量与夏季散热量不平衡。

2、单位井深换热量估算值较大，导致机组低能效比运行，系统不节能。

3、无论打井多深均采用同一管径，未对热短路及循环阻力进行校核。

4、冬、夏季流量差异较大，取值不合理，冬季工况流速可能低于0.6m/s，不能充分换热。

5、施工过程中质量控制不严，焊接缩颈等问题，造成管道阻力偏高。

6、打井时各管路深度差距较大，流量不平衡，导致某些井流速低换热量受限，某些井流速超标但未能吸收足够热量。

7、一般施工过程中为了方便，基本都采用原浆回填，原浆的理论导热值极低，约为土壤的1/2～1/4，可能造成传热瓶颈。

8、不是所有的地质都适合土壤源热泵工程，土质为沙土、或粘土的地区最适合开展地源热泵工程，岩石地质地源成孔困难，不适合土壤源热泵工程。

9、地源热泵系统运行控制方面，有些系统在机组停机，而空调泵不停机时，地源侧循环泵仍然不停机，建议此时地源侧循环泵停机，当机组要启动时，再启动地源侧循环泵。

五、埋管管材

一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。

1、钢管（套管式采用）：普通碳钢管，可使用年限无此方面资料参考，暂无法评估使用寿命。实际应用较少，国内有一些公司采用。

2、PE管：公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内；地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择；地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不宜有机械接口及金属接头。(PE管的理论寿命超过70年，有关人士提出说这种埋地情况，可能1万年都不会分解，会造成环境污染，希望引起重视。)

3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。

六、埋管方式

1、水平埋管

水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管 1.6～2.4m）。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。

2、垂直埋管

根据埋管形式的不同，一般有单U 形管，双U 形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（＞80m）。

1) U形管型：是在钻孔的管井内安装U 形管，一般管井直径为100～150mm，井深10～200m，U形管径一般在φ50mm 以下。

2) 套管式换热器：套管外管直径一般为100～200mm，内管为φ25～φ50mm。其换热效率较U形管高。缺点：下管比较困难，初投资比U形管高；在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏；管井较深可能热短路现象严重。

七、井璧回填

可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。由于钻井原浆的导热系数较低，一般情况下，不宜采用原浆回填。

八、防冻液选择及对系统的影响

目前，国内对地源热泵仍处于研究阶段，有关实际应用方面的实力较少，特别是对防冻液特性研究则更少。由于防冻液的性质对机组的处理、系统的运行费用以及环境、人体健康、安全等方面都有重要影响，因此选择合适的防冻液是保证系统运行的良好重要影响因素。常见防冻液有：氯化钙、氯化钠、乙醇、乙二醇、甲醇、醋酸钾、碳酸钾溶液等。

防冻液的选择须考虑以下几个因素：粘性、可燃可爆性、毒性、腐蚀性、导热性、流体的凝固点、系统能耗、对环境的影响、火灾风险、价格和来源等。具体选择哪种防冻液主要根据热泵系统的工作稳定、防冻液的物理化学性质、传热性能等多个方面进行经济技术比较。

一般来说，土壤源热泵中较多采用乙二醇水溶液。乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性、具有良好的导热性能、价格适中、工作温度较合适，因此深受欢迎。但是乙二醇本身也具有一定副作用，如毒性、使用寿命、粘度增加等，设计时需考虑。

结束语

随着工业扩张，环境问题日益恶化，国家对清洁能源重视程度日益提升，土壤源热泵作为一种可持续发展的绿色能源技术，有着高效节能的特点，具有水地源热泵没有的诸多优点，在我国的发展十分迅速，相信将来也一定能有其发展空间。固然现阶段土壤热泵仍存在很多技术缺陷，总体而言利大于弊，随着经济收入的提高，地源热泵技术的发展以及国家在地源热泵支持与推广，会逐一弥补土壤源热泵技术缺陷。

[1]曲云霞等，地源热泵系统中防冻液的传热能力分析，FLUID MACHI NERY，2002-10

[2]楼媛媛，地源热泵优缺点分析，现代商贸工业，2010-22

[3]李安贵等，地源热泵系统防冻液的选择，节能与环保，2002-8-30

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1007-6344（2017）02-0286-01