地源热泵系统及其设计重点

0.引言

地源热泵技术是上世纪80年代奥地利人发明的，对于最大限度地利用自然环境的热（冷）量，节约电力和其他能源的消耗，做出了有益的尝试。随着近年来中国在节能和减排方面的日益重视，地源热泵技术在中国也出现了强劲的发展势头。地源热泵的最初产品用于别墅等高端住宅，近年来也大量用于大型公共建筑。

1.地源热泵系统工作原理

地源热泵系统是一种以较低的运行费用向房屋建筑提供制冷、供暖和生活热水的中央空调系统，系统具有明显的环保、节能优势。

地表以下（6m以下）地层温度相对恒定，冬季比室外平均气温高出20℃，是很好的低温热源；夏季比室外气温平均低12℃，又是较好的散热体，且具有热容量大、可再生等特点。欧洲早在20世纪30年代，就将现代科技―热泵技术与地温相结合，创造性的发明并使用了地源热泵中央空调系统。由于地温相对恒定，地源热泵中央空调系统相对于空气源热泵约可节能40％。

冬季系统吸收地下土壤中的低位热能并将其提高为高位热能对建筑物进行供暖，同时在地下土壤中贮存冷量，以备夏季制冷时用；夏季系统将建筑物内的热量转移到地下土壤中，从而达到建筑物夏季制冷的要求，同时在大地中贮存热量，以备冬季使用。

2.地源泵系统的优点

2.1可再生能源利用技术

地缘热泵是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。

2.2经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度相对稳定，其这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户 30 ～ 40% 的供热制冷空调的运行费用。

2.3环境效益显著

地源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于减少 40% 以上，与电供暖相比，相当于减少 70% 以上，系统运行没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

2.4一机多用

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，可应用于各类建筑。

2.5系统维护费用低

地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，因此地源热泵是免维护空调供暖设备，节省了维护费用。当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。

3.设计重点

3.1热响应实验

《地源热泵系统工程技术规范》中要求，面积5000m2以上的必须做热响实验，5000m2以下可以用一些常规估算方法，目前真正按规范进行热响实验的工程项目不多。

3.2冷热平衡

寒冷地区应考虑地下土壤的热平衡问题，有些项目不做全年负荷计算，也不做全年放热量和吸热量的平衡计算，造成项目运行几年后出现问题。

3.3地埋管换热器的设计计算

一般采用专用软件进行，应特别关注地埋管换热器的全软件，计算全年进、出口温度、土壤温度的全年变化。

影响地埋管换热器设计的主要因素:

(1) 埋管区域岩土体的初始温度――必须通过现场测试取得平均值。

(2) 岩土体的导热系统。

(3) 回填料的导热系统。

(4) 地源热泵系统的负荷。

(5) 传热介质与 U 型管内壁的对流换热系统。

(6) 土层深度，可埋管面积。

3.4岩土体地质条件的勘察

认真进行岩土层的结构; 岩土体的热物性及温度; 地下水水位、冻土层厚度等勘察，从而获得真实的数据。

3.5机组选型

(1) 热泵机组的容量不要过大。中央空调冷热源设备选型时，设备制冷 ( 热) 量约为设计冷( 热) 负荷的 1. 05 ～1. 10 倍。

(2) 热泵机组选型时，应尽量接近设计冷( 热) 负荷。若机组偏大时，运行时间短，激活频繁。机组容量合适，运行时间长，有利于除湿。

(3) 设计时要考虑采暖空调对象建筑物的同时使用系数。同时使用系数的取值与建筑物类型有关，与建筑物的数量有关，需通过理论计算和实测确定。

4.结语

尽管地源热泵设计和运行中还存在许多问题，但是由于其使用可再生的地热能，符合能源的可持续发展理论，因此被称为是 21 世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色建筑设备，从地源热泵的实际应用情况来看，只要设计合理，它完全可以取代传统空调供热系统中的锅炉和冷却塔等对周围环境造成污染的装置，具有显著的环保优势。因此，我们必须正确认识、正确理解、正确应用地源热泵技术，充分利用当前国家能源政策，真正实现经济效益、社会效益和环境效益的有效结合。