熱泵原理及地源熱泵

1、熱泵原理在自然界中， 水總由高處流向低處， 熱量也總是從高溫傳向低溫。 但人們可以用水泵把水從 低處提升到高處， 從而實(shí)現(xiàn)水的由低處向高處流動， 熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。 所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置， 熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量， 并把它傳遞給 被加熱的對象 （溫度較高的物體） ，其工作原理與制冷機(jī)相同， 都是按照逆卡諾循環(huán)工作的， 所不同的只是工作溫度范圍不一樣。一臺壓縮式熱泵裝置， 主要有蒸發(fā)器、 壓縮機(jī)、 冷凝器和膨脹閥四部分組成， 通過讓工質(zhì)不 斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）T壓縮T冷凝（放出熱量） T節(jié)流T再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。熱

2、泵在工作時，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量 QA 在蒸發(fā)器中加以吸收； 它本身消耗一部分能量， 即壓縮機(jī)耗電 QB;通過工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱 QC, QC=QA+QB，由此可以看 出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功 QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量 QA;因此，采用熱泵 技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。熱泵發(fā)展趨勢從科學(xué)利用熱能的角度來說, 使用電力、 燃?xì)狻⑷加偷雀咂肺坏哪茉? 來加熱僅四五十度溫 升的生活用熱水是極不合算的,這樣的加熱過程即使是達(dá)到100%的效率,表面看是沒有熱能的損失,但實(shí)際上已經(jīng)伴隨著巨大的熵增損失,是一種極大的能源浪費(fèi)。從熱力學(xué)第二定律的意義上講, 傳熱的溫差越大, 能量的損失就

3、越大, 即熱能除了有 “熱量” 方面度量以外, 還有“品位 ”方面的度量, 人們應(yīng)該盡可能使用較低品位的熱能, 這才是科學(xué) 的和合理的?，F(xiàn)有的熱水器實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換裝置, 它把電能、 燃料的化學(xué)能或太陽能轉(zhuǎn)換為熱能, 其 系統(tǒng)“效率”不可能超過 100 % ,例如燃?xì)鉄崴?因?yàn)橛懈邷貜U氣的排放、不完全燃燒、 強(qiáng)制排煙及換熱效率方面的損失,實(shí)際的制熱系數(shù)僅在0.50.7 之間。在很久以前, 科學(xué)家就提出了熱泵的工作原理, 為人類科學(xué)的使用低溫?zé)崮苤赋隽朔较? 目 前熱泵技術(shù)在世界上也已經(jīng)有了許多方面的應(yīng)用,國內(nèi)的應(yīng)用主要在冷熱雙效空調(diào)產(chǎn)品中, 即以室外空氣為熱源對室內(nèi)空氣進(jìn)行加熱, 以達(dá)到節(jié)

4、能的目的, 其系統(tǒng)致熱系數(shù)已經(jīng)能高達(dá) 4 倍。熱泵的名稱很形象的比喻它的原理： 即熱泵不是熱能的轉(zhuǎn)換設(shè)備而是熱量的搬運(yùn)設(shè)備, 它是 一臺 “泵”,這個泵所搬運(yùn)的介質(zhì)不是水、氣或油,而是 “熱”。也因?yàn)檫@樣,它的 “效率”不受 能量轉(zhuǎn)換效率（ 100%為其極限）的制約。熱泵制熱的效率,受到逆向卡諾循環(huán)效率的制約,其理論上的最高效率為：（工作溫度 +273.15 ） / 高、低溫差,從這里可以看出,只要有效的降低工作溫差,就可以提高制熱效率。 例如高低工作溫差在 20 度時,系統(tǒng)的理論制熱系數(shù)就可以達(dá)到15 倍以上。制熱四個過程原理（1）壓縮過程蒸發(fā)后的運(yùn)行工質(zhì)被吸入壓縮機(jī)， 通過壓縮機(jī)的壓縮功能

5、， 將工質(zhì)壓縮成高壓高溫氣體， 使 其對于較低溫度的自來水易于放熱、液化。（2）冷凝過程 從壓縮機(jī)排出的高壓高溫工質(zhì)被常溫的自來水吸收熱量而變成的液態(tài)工質(zhì)。（3）節(jié)流過程 把液化后的工質(zhì)送入熱泵主機(jī)蒸發(fā)器之前， 利用毛細(xì)管的壓力差， 使工質(zhì)在保溫水箱的冷凝 器內(nèi)冷凝降壓，將它變成即使在低溫下也易于蒸發(fā)的狀態(tài)。（4）蒸發(fā)過程 液態(tài)工質(zhì)從周圍空氣中吸收熱量而不斷蒸發(fā)汽化，被吸收熱量后的空氣變?yōu)椤袄錃?”。熱泵制熱原理 熱泵熱水器是空調(diào)器的演變產(chǎn)品，在制冷系統(tǒng)中裝上電磁四通閥（又稱換向閥） ，通過四通 閥的切換方向，改變制冷劑的流動方向， 空調(diào)器就能制熱。壓縮機(jī)排出的高溫高壓蒸汽狀 的制冷劑流向保溫

6、水箱里的冷凝器， 將熱量傳給通過水箱的自來水， 然后通過毛細(xì)管節(jié)流降 壓，在室外熱泵主組的蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱， 用工質(zhì)吸收室外空氣中的熱量。 熱泵熱水器就是 這樣吸收室外空氣中的熱量， 向保溫水箱內(nèi)自來水傳遞， 它比單純用電加熱器制熱更能省電、 快速、安全，且室外熱能潛力無限大。熱泵制熱時， 如果熱泵主機(jī)換熱器的溫度太低， 則冷凝水會在熱泵主機(jī)換熱器上結(jié)霜， 影響 制熱效果， 此時必須進(jìn)入化霜工況運(yùn)行， 熱泵主機(jī)換熱器放熱化霜， 等結(jié)霜化去后重新開始 制熱。熱泵的主要分類根據(jù)熱泵所利用能源的不同，熱泵可作如下分類：一、空氣源熱泵 以空氣作為 “源體 ”，空氣源熱泵，通過冷媒作用，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。目

7、前的產(chǎn)品主要是家用熱 泵空調(diào)器、 商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和熱泵冷熱水機(jī)組。 熱泵空調(diào)器已占到家用空調(diào)器銷量 的 4050%，年產(chǎn)量為 400余萬臺。熱泵冷熱水機(jī)組自 90 年代初開始，在夏熱冬冷地區(qū)得 到了廣泛應(yīng)用， 據(jù)不完全統(tǒng)計， 該地區(qū)部分城市中央空調(diào)冷熱源采用熱泵冷熱水機(jī)組的已占 到 2030% ，而且應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大并有向此移動的趨勢。二、水源熱泵以地下水作為冷熱 "源體 " ，在冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑物供暖， 在夏季熱泵將吸收到 的熱量向其排放、 實(shí)現(xiàn)對建筑物供冷。 雖然目前空氣能熱泵機(jī)組在我國有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用， 但它存在著熱泵供熱量隨著室外氣溫的降低而減

8、少和結(jié)霜問題，而水源熱泵克服了以上不 足，而且運(yùn)行可靠性又高，近年來國內(nèi)應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢。三、地源熱泵 地源熱泵是以大地為熱源對建筑進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)， 冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高對 建筑供暖， 同時蓄存冷量， 以備夏用； 夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進(jìn)行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用。由于其節(jié)能、環(huán)保、熱穩(wěn)定等特點(diǎn)，引起了世界各國的 重視。 歐美等發(fā)達(dá)國家地源熱泵的利用已有幾十年的歷史， 特別是供熱方面已積累了大量設(shè) 計、施工和運(yùn)行方面的資料和數(shù)據(jù)。四、復(fù)合熱泵 為了彌補(bǔ)單一熱源熱泵存在的局限性和充分利用低位能量，運(yùn)用了各種復(fù)合熱泵。如空氣 - 空氣熱泵機(jī)組、空氣 -水

9、熱泵機(jī)組、水 -水熱泵機(jī)組、水 -空氣熱泵機(jī)組、太陽 - 空氣源熱泵系 統(tǒng)、空氣回?zé)釤岜谩⑻?-水源熱泵系統(tǒng)、熱電水三聯(lián)復(fù)合熱泵、土壤 - 水源熱泵系統(tǒng)等。1、太陽 - 空氣熱源熱泵系統(tǒng)太陽 -空氣熱源熱泵系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用太陽能熱源而新開發(fā) 的系統(tǒng)。它可以制冷、供熱、供生活熱水，是一種利用自然能源、無污染、適用性廣、效率 高的新型冷熱源系統(tǒng)。2、土壤 - 水熱泵系統(tǒng)土壤 -水熱泵（下稱土壤熱泵）可利用低品位的土壤熱能提供熱水或向建筑物供暖。美國、 德國及瑞典等北歐國家， 已有上萬臺此類熱泵裝置在運(yùn)行， 土壤熱泵技術(shù)已趨成熟， 并迅速 地加以推廣使用。目前正在制訂土

10、壤熱泵用于供暖的技術(shù)規(guī)范。3、太陽能 - 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)太陽能水源熱泵系統(tǒng)由三部分組成， 即太陽能集熱系統(tǒng)、 水源熱泵系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)。 其 系統(tǒng)是將建筑物的消防水池作為蓄水供應(yīng)系統(tǒng)。 以解決太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性。 當(dāng)環(huán)路 水溫高于 35C時，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)同消防水池斷開，冷卻塔投入運(yùn)行，當(dāng)環(huán)路水溫在1535 C之間時，太陽能作為冷卻塔停止運(yùn)行，生活熱水供應(yīng)的熱源收集的太陽能用來加熱 生活用水；當(dāng)環(huán)路水溫低于15C時，環(huán)路與消防水池連通， 太陽能水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)吸收太 陽能。若仍有多余的太陽能時，可繼續(xù)加熱生活用水。熱泵除上述四類以外， 還有噴射式熱泵、 吸收式熱泵、 工質(zhì)變濃度容量

11、調(diào)節(jié)式熱泵及以 CO2 為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)。國家標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005設(shè)計要點(diǎn)解析中國建筑科學(xué)研究院空氣調(diào)節(jié)研究所 鄒瑜 徐偉 馮小梅摘要 ：本文針對不同地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合規(guī)范條文，對 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計特 點(diǎn)、方法及要點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞： 地源熱泵系統(tǒng)、設(shè)計要點(diǎn)、系統(tǒng)優(yōu)化1 前言實(shí)施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略已成為新時期我國能源發(fā)展的基本方針，可再生能源在建筑中 的應(yīng)用是建筑節(jié)能工作的重要組成部分。 2006 年 1 月 1 日可再生能源法正式實(shí)施，地 源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一， 同時也是最利于與太陽能供熱系統(tǒng)相結(jié)

12、合 的系統(tǒng)形式， 近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。 地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行 供熱與空調(diào)， 具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益， 但由于缺乏相應(yīng)規(guī)范的約束， 地源熱泵系統(tǒng)的推 廣呈現(xiàn)出很大盲目性，許多項(xiàng)目在沒有對當(dāng)?shù)刭Y源狀況進(jìn)行充分評估的條件下就匆匆上馬， 造成了地源熱泵系統(tǒng)工作不正常， 為規(guī)范地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、 施工及驗(yàn)收， 確保地源熱泵 系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，更好的發(fā)揮其節(jié)能效益，由中國建筑科學(xué)研究院主編，會同 13 個單 位共同編制了 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 （以下簡稱規(guī)范） 。該規(guī)范現(xiàn)已頒布， 并于 2006 年 1 月 1 日起實(shí)施。由于地源熱泵系統(tǒng)的特殊性， 其設(shè)計方法是其關(guān)鍵

13、與難點(diǎn)， 也是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問 題，同時也是國外熱點(diǎn)課題，在新頒布的規(guī)范中首次對其設(shè)計方法提出了具體要求。為 了加深對規(guī)范條文的理解，本文對其部分要點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行解析。2 規(guī)范的適用范圍及地源熱泵系統(tǒng)的定義2.1 規(guī)范的適用范圍 該規(guī)范適用于以巖土體、地下水、地表水為低溫?zé)嵩?，以水或添加防凍劑的水溶?為傳熱介質(zhì)， 采用蒸氣壓縮熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱、 空調(diào)或加熱生活熱水的系統(tǒng)工程的設(shè)計、 施 工及驗(yàn)收。它包括以下兩方面的含義：（1）“以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質(zhì)” ，意旨不適用于直接膨脹熱泵系統(tǒng)，即直接 將蒸發(fā)器或冷凝器埋入地下的一種熱泵系統(tǒng)。 該系統(tǒng)目前在北美地區(qū)別墅或小型商用建筑中 應(yīng)用

14、，它優(yōu)點(diǎn)是成孔直徑小，效率高，也可避免使用防凍劑；但制冷劑泄漏危險性較大，僅 適于小規(guī)模應(yīng)用。（2）“采用蒸氣壓縮熱泵技術(shù)進(jìn)行 , ”意旨不包括吸收式熱泵。2.2 地源熱泵系統(tǒng)的定義地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同， 分為地埋管地源熱泵系統(tǒng) （簡稱地埋管 系統(tǒng)）、地下水地源熱泵系統(tǒng) （簡稱地下水系統(tǒng)） 和地表水地源熱泵系統(tǒng) （簡稱地表水系統(tǒng)） 。 其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)，也稱地耦合系統(tǒng)（closed-loop ground-coupled heat pumpsystem ）或土壤源地源熱泵系統(tǒng)， 考慮實(shí)際應(yīng)用中人們的稱呼習(xí)慣， 同時便于理解， 本規(guī)范 定義為地埋管地源熱泵系統(tǒng)。 地表水

15、系統(tǒng)中的地表水是一個廣義概念， 包括河流、 湖泊、 海 水、中水或達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的污水、 廢水等。 只要是以巖土體、 地下水或地表水為低溫?zé)?源，由水源熱泵機(jī)組、 地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、 建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)， 統(tǒng)稱為地源熱 泵系統(tǒng)。3 地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)（1）地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約對地埋管系統(tǒng)， 除了要有足夠埋管區(qū)域， 還要有比較適合的巖土體特性。 堅硬的巖土體 將增加施工難度及初投資，而松軟巖土體的地質(zhì)變形對地埋管換熱器也會產(chǎn)生不利影 響。為此，工程勘察完成后，應(yīng)對地埋管換熱系統(tǒng)實(shí)施的可行性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。 對地下水系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時還要具備可靠的回灌

16、能力。 規(guī)范中 強(qiáng)制規(guī)定 “地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料進(jìn)行設(shè)計，并必須采取可靠回灌措施，確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層， 不得對地下水資源造成浪 費(fèi)及污染。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，應(yīng)對抽水量、回灌量及其水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。 ” 對地表水系統(tǒng)， 設(shè)計前應(yīng)對地表水系統(tǒng)運(yùn)行對水環(huán)境的影響進(jìn)行評估； 地表水換熱系統(tǒng) 設(shè)計方案應(yīng)根據(jù)水面用途， 地表水深度、 面積，地表水水質(zhì)、 水位、 水溫情況綜合確定。（2）地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源的影響很大低位熱源的不定因素非常多， 不同的地區(qū)、 不同的氣象條件， 甚至同一地區(qū)， 不同區(qū)域， 低位熱源也會有很大差異， 這些因素都會對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計帶來影響

17、。 如地埋管系統(tǒng)， 巖 土體熱物性對地埋管換熱器的換熱效果有很大影響，單位管長換熱能力差別可達(dá) 3 倍或更 多。（3）設(shè)計相對復(fù)雜 低位熱源換熱系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)特有的內(nèi)容，也是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點(diǎn)。 地下?lián)Q熱過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程， 影響因素眾多， 計算過程復(fù)雜， 通常需要借助 專用軟件才能實(shí)現(xiàn)； 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮低位熱源長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。 方案設(shè)計時應(yīng)對若干年后巖土體 的溫度變化； 地下水水量、 溫度的變化， 地表水體溫度的變化進(jìn)行預(yù)測， 根據(jù)預(yù)測結(jié)果 確定應(yīng)采用的系統(tǒng)方案； 地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比， 增加了低位熱源換熱部分的投資， 且投資比例較高， 為 了提高地源熱

18、泵系統(tǒng)的綜合效益， 或由于受客觀條件限制， 低位熱源不能滿足供熱或供 冷要求時， 通常采用混合式地源熱泵系統(tǒng)， 即采用輔助冷熱源與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的 方式。確定輔助冷熱源的過程， 也就是方案優(yōu)化的過程， 無形中提高了方案設(shè)計的難度。4 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)4.1 地埋管系統(tǒng)由于地埋管系統(tǒng)通過埋管換熱方式將淺層地?zé)崮苜Y源加以利用， 避免了對地下水資源的 依賴， 近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 但地埋管系統(tǒng)的設(shè)計方法一直沒有明確規(guī)定， 通常 設(shè)計院將地埋管換熱設(shè)計交給專業(yè)工程公司完成。 除少數(shù)有一定技術(shù)實(shí)力的公司， 引進(jìn)了國 外軟件， 可作一些分析外， 通常專業(yè)公司只是根據(jù)設(shè)計負(fù)荷， 按經(jīng)驗(yàn)估算

19、確定埋管數(shù)量及埋 深，對動態(tài)負(fù)荷的影響缺乏分析， 對長期運(yùn)行效果沒有預(yù)測， 造成地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此，保證地埋管系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行是地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計的首要問題，在保證需求的條件下，地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡可能降低初投資及運(yùn)行費(fèi)用。4.1.1負(fù)荷計算地埋管系統(tǒng)是否能夠可靠運(yùn)行取決于埋管區(qū)域巖土體溫度是否能長期穩(wěn)定。以一棟總建筑面積為2ioom的小型辦公建筑為例，選取了四個具有代表性的地區(qū)：北 京、上海、沈陽和齊齊哈爾，利用TRNSYS莫擬地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行五年后，地埋管換熱器出口即水源熱泵機(jī)組進(jìn)口的傳熱介質(zhì)溫度波動

20、情況，見表1 - 1，表1-2。表1- 1地埋管換熱器出口傳熱介質(zhì)夏季最高溫度（C）變化地區(qū)吸、釋熱量比例12345北京1: 2.3633.1034.2535.2135.8636.40上海1 : 5.036.1738.3139.8941.1842.15沈陽1: 1.2827.9928.1128.1928.1928.18齊齊哈爾1: 0.6727.8826.5725.6625.0124.52注：表中數(shù)據(jù)引自中國建筑科學(xué)研究院研究報告地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析表1-2地埋管換熱器出口傳熱介質(zhì)冬季最低溫度（C）變化地區(qū)吸、釋熱量比例12345北京1: 2.365.516.777.638.248.

21、72上海1 : 5.05.697.819.3310.4711.28沈陽1: 1.286.056.106.176.196.24齊齊哈爾1: 0.673.872.311.460.860.38注：表中數(shù)據(jù)引自中國建筑科學(xué)研究院研究報告地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析由表1 - 1、表1-2可見，由于吸、釋熱量不平衡，造成巖土體溫度的持續(xù)升高或降低，導(dǎo)致進(jìn)入水源熱泵機(jī)組的傳熱介質(zhì)溫度變化很大，該溫度的提高或降低，都會帶來水源熱泵機(jī)組性能系數(shù)的降低， 不僅影響地源熱泵系統(tǒng)的供冷供熱效果，也降低了地源熱泵系統(tǒng)的整體節(jié)能性。為此規(guī)范明確規(guī)定，“地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計算，最小計算周期宜為1年。計

22、算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。”4.1.2地埋管換熱器設(shè)計地埋管換熱器設(shè)計是地埋管系統(tǒng)設(shè)計特有的內(nèi)容和核心。由于地埋管換熱器換熱效果不僅受巖土體導(dǎo)熱性能及地下水流動情況等地質(zhì)條件的影響，同時建筑物全年動態(tài)負(fù)荷、巖土體溫度的變化、地埋管管材、地埋管形式及傳熱介質(zhì)特性等因素都會影響地埋管換熱器的換熱效果。地埋管換熱器有兩種主要形式，即豎直地埋管換熱器 （以下簡稱豎直埋管） 和水平地埋管換熱器（以下簡稱水平埋管）。由于水平埋管占地面積較大，目前應(yīng)用以豎直埋管居多。巖土體熱物性的確定巖土體熱物性的確定是豎直埋管設(shè)計的關(guān)鍵。規(guī)范中規(guī)定“地埋管換熱器設(shè)計計算宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測巖土體及回填

23、料熱物性參數(shù)進(jìn)行”。巖土體熱物性可以通過現(xiàn)場測試，以擾動-響應(yīng)方式獲得，即在擬埋管區(qū)域安裝同規(guī)格同深度的豎直埋管，通過水環(huán)路，將一定熱量（擾動）加給豎直埋管，記錄熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，獲得測試區(qū)域巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)及溫度。分析方法主要有 實(shí)際應(yīng)用中，如有可能，應(yīng)盡量采用兩種以 上的方法同時分析，以提高分析的可靠性。巖土體熱物性測試裝置如圖1所示：巖土體熱物性測試要求測試時間為3648h,供熱量應(yīng)為 5080W/m流量應(yīng)滿足供回水 溫差1122 C的需要，被測豎直埋管安裝完 成后，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)不同，需要35d的等待期，此外對測量精度等也有具體要求。【11目前測試設(shè)備有兩種，一

24、種是小型便攜 式，一種是大型車載系統(tǒng)，后者可以提供較 大能量加熱系統(tǒng)，最新設(shè)備還可以提供冷凍 水測試冬季運(yùn)行工況，具有更好精度及可靠 性。3種，即線源理論、柱源理論及數(shù)值算法。MMTC.R TMK WITHTOFig, 15 Thrrmiil Properties Tesi Apparatus圖1巖土體熱物性測試裝置豎直埋管地下傳熱計算地下傳熱模型基本是建立在線源理論或柱源理論基礎(chǔ)上。1954年Ingersoll 和Zobel提出將柱源傳熱方程作為計算埋管換熱器的合適方法，1985年Kavanaugh考慮U型排列和逐時熱流變化對該方法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)際工程設(shè)計中很少使用這種乏味的計算，20世紀(jì)8

25、0年代人們更傾向于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計。80年代末，瑞典開發(fā)出一套計算結(jié)果可靠且使用簡單的軟件，其數(shù)值模型采用的是 Eskilson （1987）提出的方法，該方法結(jié)合解析與數(shù)值模擬技術(shù)，確定鉆孔周圍的溫度分布，在一定初始及邊界條件下，對同一土質(zhì)內(nèi)單一鉆孔建立瞬時有限差分方程，進(jìn)行二維數(shù)值計算獲得單孔周圍的溫度分布。通過對單孔溫度場的附加，得到整個埋管區(qū)域相應(yīng)的溫度情況。為便于計算，將埋管區(qū)域的溫度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成一系列無因次溫度響應(yīng)系數(shù)，這些系數(shù)被稱為 g-functions 。通過g-functions可以計算一個時間步長的階梯熱輸入引起的埋管溫度的變 化，有了 g-functions ，任意釋熱源

26、或吸熱源影響都可轉(zhuǎn)化成一系列階梯熱脈沖進(jìn)行計算。1999年Yavuzturk和Spitler對Eskilson的g-functions 進(jìn)行了改進(jìn)，使該方法適用于短時間 熱脈沖。1984年Kavan augh使用圓柱形源項(xiàng)處理，利用穩(wěn)態(tài)方法和有效熱阻方法近似模擬逐時吸 熱與釋熱變化過程。規(guī)范中附錄B,采用類似方法，給出了豎直地埋管換熱器的設(shè)計計算 方法，供設(shè)計選用。水平埋管由于占地問題， 大多城市住宅或公建均很難采用。 由于應(yīng)用較少， 國內(nèi)外 對其換熱機(jī)理研究也很少， 目前主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行估算。 2003年ASHRA手冊給出了一 些推薦數(shù)據(jù)，供設(shè)計選用。主流地埋管設(shè)計軟件基本上均包括水平

27、埋管的計算。4.1.3 設(shè)計軟件通常地埋管設(shè)計計算是由軟件完成的。 一方面是因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱過程的復(fù)雜性， 為盡可能 節(jié)約埋管費(fèi)用， 需要對埋管數(shù)量作準(zhǔn)確計算； 另一方面地埋管設(shè)計需要預(yù)測隨建筑負(fù)荷的變 化埋管換熱器逐時熱響應(yīng)情況及巖土體長期溫度變換情況。 加拿大國家標(biāo)準(zhǔn) （CAN/CSA-C448.1）中對地埋管系統(tǒng)設(shè)計軟件明確提出了以下要求：1 能計算或輸入建筑物全年動態(tài)負(fù)荷；2 能計算當(dāng)?shù)貛r土體平均溫度及地表溫度波幅；3 能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期儲熱效果；4 能計算巖土體、傳熱介質(zhì)及換熱管的熱物性；5 能對所設(shè)計系統(tǒng)的地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌

28、漿情況等） 。為此，規(guī)范中規(guī)定“地埋管設(shè)計宜采用專用軟件進(jìn)行。 ”判斷軟件復(fù)雜程度的標(biāo)準(zhǔn)有兩個： 一是在滿足埋管換熱器設(shè)計要求的前提下， 用戶輸入 最少，計算時間最短；二是要求能模擬預(yù)測隨建筑負(fù)荷變化，埋管換熱器逐時熱響應(yīng)情況。目前，在國際上比較認(rèn)可的有建立在g-fu nctio ns算法基礎(chǔ)上瑞典隆德 Lund大學(xué)開發(fā)的EED§序，美國威斯康星 Wisconsin-Madison 大學(xué)Solar Energy實(shí)驗(yàn)室（SEL）開發(fā)的TRNSYS 程序，美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開發(fā)的GLHEPR程序。此外還有加拿大 NR（開發(fā)的GS200Q以及建立在利用穩(wěn)態(tài)方法和有效熱阻方

29、法近似模擬基礎(chǔ)上的軟件GchpCalc等。4.2 地下水系統(tǒng)地下水系統(tǒng)是目前地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用最廣的一種形式， 據(jù)不完全統(tǒng)計目前國內(nèi)地下水項(xiàng) 目已近 300 個。對于較大系統(tǒng)， 地下水系統(tǒng)的投資遠(yuǎn)低于地埋管系統(tǒng)， 這也是該系統(tǒng)得以廣 泛應(yīng)用的主要原因。（1）熱源井設(shè)計必須保證持續(xù)出水量需求及長期可靠回灌不得對地下水資源造成浪費(fèi)和污染， 是地下水系統(tǒng)應(yīng)用的前提。 地下水屬于一種地質(zhì)資 源，如無可靠的回灌，不僅造成水資源的浪費(fèi)，同時地下水大量開采還會引起的地面沉降、 地裂縫、 地面塌陷等地質(zhì)問題。 在國內(nèi)的實(shí)際使用過程中， 由于地質(zhì)及成井工藝的問題， 回 灌堵塞問題時有發(fā)生。 堵塞原因與熱源井設(shè)計及

30、施工工藝密切相關(guān)， 為此規(guī)范 明確要求 “熱源井的設(shè)計單位應(yīng)具有水文地質(zhì)勘察資質(zhì)” ；設(shè)計時熱源井井口應(yīng)嚴(yán)格封閉并采取減少 空氣侵入的措施也是保障可靠回灌的必要措施。（2）水質(zhì)處理 水質(zhì)處理是地下水系統(tǒng)的另一關(guān)鍵。地下水水質(zhì)復(fù)雜，有害成分有：鐵、錳、鈣、鎂、 二氧化碳、 溶解氧、氯離子、酸堿度等。 為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行， 通常根據(jù)地下水的水質(zhì)不同， 采用相應(yīng)的處理措施， 主要包括除砂、 除鐵等。 為了保證水源熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行， 規(guī)范 要求“地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)條件采用直接或間接系統(tǒng)。 ”（3）地下水流量控制抽水泵功耗過高是目前地下水系統(tǒng)運(yùn)行存在的普遍問題。 在對國內(nèi)部分地下水系統(tǒng)的調(diào)

31、查時發(fā)現(xiàn)， 大多地下水系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)措施， 長期定流量運(yùn)行， 只有少數(shù)系統(tǒng)采用了臺數(shù)控制。 據(jù)相關(guān)資料介紹，在不良的設(shè)計中，井水泵的功耗可以占總能耗的25或更多，使系統(tǒng)整體性能系數(shù)降低。根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)地下水流量，具有很大節(jié)能潛力。 規(guī)范中也建議“水系統(tǒng)宜采用 變流量設(shè)計” 。常用抽水泵控制方法有： 設(shè)置雙限溫度的雙位控制、 變速控制和多井調(diào)節(jié)控 制。在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)抽水井?dāng)?shù)、系統(tǒng)形式和初投資綜合選用適合的控制方式。北京市海淀區(qū)對水源熱泵回灌下游水質(zhì)跟蹤檢測三年多，未發(fā)現(xiàn)有污染和異常。歐洲、北美等地，已使用 2030年。只要嚴(yán)格控制鑿井深度在淺表地層，嚴(yán)格禁止深入飲用水層 以避免對飲用水的層間交叉

32、污染， 同時在設(shè)計、 施工上嚴(yán)格把關(guān)，真正做到可靠回灌， 地下 水系統(tǒng)不會對地下水資源造成浪費(fèi)和污染。4.3 地表水系統(tǒng)地表水系統(tǒng)分開式和閉式兩種，開式系統(tǒng)類似于地下水系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)類似于地埋管系 統(tǒng)。但是地表水體的熱特性與地下水或地埋管系統(tǒng)有很大不同。與地埋管系統(tǒng)相比， 地表水系統(tǒng)的優(yōu)勢是沒有鉆孔或挖掘費(fèi)用， 投資相對低； 缺點(diǎn)是設(shè) 在公共水體中的換熱管有被損害的危險， 而且如果水體小或淺， 水體溫度隨空氣溫度變化較 大。（1）設(shè)計前應(yīng)評估系統(tǒng)運(yùn)行對水環(huán)境的影響 預(yù)測地表水系統(tǒng)長期運(yùn)行對水體溫度的影響，避免對水體生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。確定 換熱盤管敷設(shè)位置及方式時，應(yīng)考慮對行船等水面用途的影響。

33、（2）掌握地表水的水溫動態(tài)變化規(guī)律是閉式系統(tǒng)設(shè)計的前提。地表水體的熱傳導(dǎo)主要有 三種形式，一是太陽輻射熱，二是與周圍空氣間的對流換熱，三是與巖土體間的熱 傳導(dǎo)。由于很難獲得水體溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)，通常水體溫度是根據(jù)室外空氣溫度，通 過軟件模擬計算獲得。（3）與地埋管系統(tǒng)一樣，閉式地表水系統(tǒng)設(shè)計也是借助軟件進(jìn)行。（4） 利用TRNSYS1立地表水換熱模型，模擬冬夏吸釋熱量不平衡時水體溫度的變化。對地表水體進(jìn)行10年運(yùn)行期的換熱模擬發(fā)現(xiàn)每年的溫度變化基本一致。說明地表水體與外界環(huán)境換熱量相對較大，一般可以消除冬夏吸釋熱量不平衡對水體溫度的影響。（5）與地下水系統(tǒng)相類似，地表水系統(tǒng)同樣面臨水質(zhì)處理的問題

34、。就海水源系統(tǒng)來說， 該問題更加突出。我國濱臨渤海、黃海、東海、南海，有著很長的海岸線，海水作 為熱容量最大的水體，理應(yīng)成為地表水系統(tǒng)的首選低位熱源。但海水對設(shè)備的腐蝕 性成為海水源熱泵發(fā)展的一個瓶頸。為此規(guī)范中特別對海水源系統(tǒng)作了如下規(guī) 定“當(dāng)?shù)乇硭w為海水時，與海水接觸的所有設(shè)備、部件及管道應(yīng)具有防腐、防生物附著的能力；與海水連通的所有設(shè)備、部件及管道應(yīng)具有過濾、清理的功能。”4.4建筑物內(nèi)系統(tǒng)（1） 選用適宜地源熱泵系統(tǒng)的水源熱泵機(jī)組國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)水源熱泵機(jī)組GB/T19409中，對不同地源熱泵系統(tǒng)，相應(yīng)水源熱泵機(jī)組正常工作的冷（熱）源溫度范圍也是不同的，如表2所示，設(shè)計時應(yīng)正確選用。表2

35、水源熱泵機(jī)組正常工作的冷（熱）源溫度范圍系統(tǒng)形式正常工作的冷（熱）源溫度范圍水環(huán)熱泵系統(tǒng)2040C（制冷）1530C（制熱）地下水熱泵系統(tǒng)1025C（制冷）1025C（制熱）地埋管熱泵系統(tǒng)1040C（制冷）525C（制熱）（2） 水源熱泵機(jī)組及末端設(shè)備應(yīng)按實(shí)際運(yùn)行參數(shù)選型;不同地區(qū)巖土體、地下水或地表水水溫差別較大，設(shè)計時應(yīng)按實(shí)際水溫參數(shù)進(jìn)行設(shè)備 選型。進(jìn)入機(jī)組溫度不同， 機(jī)組COP相差很大；末端設(shè)備選擇時應(yīng)適合水源熱泵機(jī)組供、回水溫度的特點(diǎn)，保證地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提高系統(tǒng)節(jié)能率。4.5地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化（1） 輔助冷熱源優(yōu)化配置帶輔助冷熱源的混合式系統(tǒng)，由于它可有效減少埋管數(shù)量或地下（表）水流量或地表水換熱盤管的數(shù)量，同時也是保障地埋管系統(tǒng)吸釋熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系統(tǒng)