地埋管地源热泵的设计

浅谈地埋管地源热泵的设计
摘要:本文将论述地埋管地源热泵系统的设计体要点。

关键词：“卡诺循环”“制热系数”“单口井换热量”“换热热阻”中图分类号： th3 文献标识码： a 文章编号：
1.引言
近年来，地埋管地源热泵系统在建筑工程中得到广泛应用。

一提到地埋管地源热泵系统，人们立刻想到“节能”、“环保”、“绿色”、“减排”，但是根据工程回访（京津地区），很多业主反应地埋管地源热泵系统没有想象中的那么节能。

本文将追根溯源，讨论地埋管地源热泵系统为什么节能，怎样才能节能，提出建筑物地埋管地源热泵系统比传统空调系统经济节能是靠精细、合理、优化的设计来保证的。

2.地埋管地源热泵系统的概念
地埋管地源热泵系统是一种以大地作为冷、热源，以水溶液作为媒介，通过垂直或水平封闭管路与大地交换热量，并把交换的热量提供给地源热泵机组，维持地源热泵机组正常工作，向建筑物供冷或供热的集中空调系统。

在冬季，地埋热泵系统通过埋在地下的封闭管道（亦称地下换热系统）从大地收集自然界热量，而后由环路中的循环水溶液把热量带到室内，再由室内的地源热泵系统提升热的品位，把热量释放到室内。

在夏季，为达到给室内降温目的，地源热泵系统将从室内吸收的多余热量排入水溶液环路中，再经过地下换热系统，讲多余热量释放给大地。

在一年里，对大地而言，冬
季大地在放热，夏季大地在蓄热，这种独特的工况使地埋管地源热泵系统成为跨季节的蓄能空调系统。

3.热泵原理和根本优势
地埋管地源热泵系统首先是一种热泵技术。

热泵技术的基本原理基于卡诺循环，它采用电能（或其它方式）驱动，耗功n,从低温热源中吸取热量q’，并通过高温热源输送热量q，我们把输送的热量与驱动热泵消耗的功之比称为制热系数，即。

我国火力发电网输送到用户的综合效率为33%左右，理论上只要工程中地源热泵制热系数>3.3 , 热泵供暖对一次能源的利用率>1.0。

实际上，大多数情况下，地源热泵制热系数是可以达到 3.0~3.5 的。

而传统的燃油\燃煤\燃气锅炉供热系统的情况是这样的：燃油\燃煤\燃气锅炉的效率n1=0.68,热网效率n2=0.9所以大型热网输送到用户的综合效率，即对一次能源利用率。

热泵采暖的节能特性明显优于以燃油\燃煤\燃气锅炉为热源的采暖系统。

在夏季供冷工况下，地埋管地源热泵系统和传统的电制冷集中空调系统的原理是一样的，形式上主要区别在于：地埋管地源热泵系统向大地排热，传统电制冷集中空调系统通过冷却塔排热。

只有在地下换热系统的水温低于冷却塔水温的情况下，地埋管地源热泵系统比传统空调系统才有优势。

如何降低地下换热系统的水温呢？先要了解地下换热系统的换热机理。

4. 地埋管地下换热系统的换热机理
当地下换热系统向土壤排热时，土壤的水分子蒸发，土壤的湿度
减小，土壤热阻增大，地埋管的换热效率下降。

当地下换热系统向土壤放热时，土壤的水分子凝结，土壤的湿度增大，土壤热阻减小，地埋管周围的土壤导热系数在增加。

所以，冬季地埋管吸热的换热效果要优于夏季地埋管排热的换热效果。

或者说，冬季地埋管的换热情况是能够有一定的自身调节能力的，夏季地埋管的换热是随着排热持续进行而持续恶化的。

5.地埋管地源热泵系统的年热平衡
在寒冷地区，夏季热负荷大于冬季冷负荷，完全使用地埋管换热系统形式的地源热泵系统，将破坏埋管周围换热区域岩土的全年热平衡，导致埋管周围换热区域岩土的温度逐年上升，最后导致运行几年后地源热泵机组在夏季因冷凝器换热水温过高而自我保护停机。

6.单口井换热量没有意义
明白了以上原理，我们可以对单口井换热量进行分析。

工程中（京津地区），很多做地埋管换热系统的厂家提出夏季工况下地埋管单口井换热量能达到6kw甚至8kw。

很多设计师被这些数据所误导，没有理解其中的真正含义，套用这些数据使用在地源热泵系统设计中，纵然地源热泵系统没到崩溃的程度，但是也没发掘出节能的潜力。

其实并不是厂家骗人，地埋管单口井换热量是可以达到上述参考值的，但是实际上单口井换热量是没有明确物理意义的。

单口井的换热量的增加是依靠牺牲地埋管出口水温实现的，即提高地埋管内传热介质与地埋管周围换热区域的温差来实现。

在夏季，地埋管
出口水温度决定着地埋管地源热泵机组的制冷效率。

出口温度越高，制冷效率越低。

也就是说，设计师因各种因素制约，机械地按单口井最大换热能力套用在系统设计上，会导致地埋管井口数量不足，在夏季地埋管出口水温会上升，制冷效率下降，并有可能降低到比冷却塔排热的制冷效率还要低。

系统冬季节省出的能源又被夏季不良工况消耗进去了，这是很多地埋管地源热泵系统不比传统空调系统节能的根源。

7.地埋管地源热泵系统的方案设计过程
建筑物是否采用地埋管地源热泵系统的方案，是一个很复杂的决策计算过程，绝不是一拍脑门就能定出来的。

它是受建筑物规模、功能、当地能源政策、项目资金状况各种因素影响。

作为设计师，首先应根据建筑物规模、功能对建筑物采用传统的空调系统做全年能耗分析。

根据传统空调系统的全年能耗反推出地埋管地源热泵系统的冬季和夏季运行工况，看地埋管侧换热测试报告和机组性能否满足这种工况，如果能满足，才是采用地埋管地源热泵系统方案的前提条件。

不应该认为这种系统节能就用这种系统，而是经过计算在这个建筑物使用这种系统是节能的，所以才使用这种系统。

至此，方案设计决策工作才刚刚开始，下一步是不断调整地埋管地源热泵系统的冬季和夏季运行工况，以达到最佳的投资回收。

井口数量越多，一次投资越大，系统效率越高，运行越省钱；反之，井口数量越少，一次投资越小，系统效率越低，运行越费钱。

总能找到一个最合适的井口数量和运行工况，能达到最佳的投资回收。

这才是一个完整的地埋管地源热泵系统的方案设计。

参考文献
《地埋管地源热泵运行工况参数的确定方法》杨泉琳、龚延风, 暖通空调,2009 vol.39.no.9.
2.《对地源热泵应用的几点思考》张勇，工程与建设，2009 vol.2
3.no.3.
3.《地源热泵系统设计与应用》马最良/吕悦，机械工业出版社， 2007年11月。