lbzu1611mLV72015-11-28环境和经济效益显著地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。一机多用，应用广泛地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，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，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。维护费用低并可无人值守地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，其系统不是埋在地下就是安装在室内，不暴露在风雨中，机组紧凑、节省空间，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。自动控制程度高，可无人值守、远程管理，无需雇佣人员看管。污染小地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少38%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排节能减排是减少能源浪费和降低废气排放更多。维护简单地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年,要比普通空调高35年使用寿命。维持生态环境平衡地源热泵夏天把室内的热量排到地下，冬天把地下的热量取出来供室内使用，相对来说，向环境排放更少的能量，维持生态环境的平衡。节省空间没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量）；它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散
地源热泵系统的组成部分地源热泵系统由以室外系统，室内系统，机房系统三部分组成。也就是我们经常说的地源热泵空调三合一地源热泵系统的室外系统地源热泵系统的室外系统主要由地埋管，地埋管填料，组成。 地埋管是室外地下换热器，就是降水通过地埋管在地下循环，在底下进行热交换。 地埋管填料是地埋管的辅助材料，是为了让地埋管能够更好的在底下达到换热的效果。地源热泵系统的室内系统地源热泵系统的室内系统中包含连接水管，电动二通阀门组件和风机盘管（空调），以及地暖组成。 连接水管主要的作用是进行热水和冷水的输送。电动二阀门组件的作用是控制热水和冷水的流量，以及水输送的断开和联通作用。风机盘管是地源热泵空调中使用的组件，主要作用是进行室内热交换。地暖主要的作用是进行室内的采暖。 室外地热能换热系统主要类型包括：1、地埋管换热系统A．水平埋管环路水平埋管环路通过水平埋置于地表面以下3-15m深的闭合地热能换热系统，与岩土体进行冷热交换。水平埋管环路的地源热泵系统适合于地源制冷或地源供暖面积较小的建筑物，如别墅等小型单体。B．垂直埋管环路垂直埋管环路通过垂直钻孔埋置于地表面以下50-150m深的闭合地能换热系统，可与岩土体进行冷热交换。垂直埋管环路的地源热泵系统适合于制冷供暖面积较大，但周围可利用埋管面积有限的建筑物，如写字楼、商务楼等。2、地表水式换热系统地表水式换热系统通过布置在水体内的盘管换热系统，可与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。地表水式换热系统适合于中小制冷供暖面积、临近较大水域的建筑物。3、地下水式换热系统地下水式换热系统机组内闭式循环系统经过换热器，与水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水式换热系统适合地下水丰富，建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。 建筑内系统即地源热泵的室内空调末端系统，可采用任何形式的常规空调系统。
地源热泵空调系统就是采用节能环保的地源热泵系统，其冷热源采用安装灵活、易于控制的埋管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统。具体采用立埋的埋管方式，以水作为冷热量载体，水在埋于土壤中的换热管道内与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。
地源热泵供暖控制分户方式如下：1、机组与电表连接，每户一机，独立控制，分户计量。2、用户可根据流量表，使用多少交多少，使计费更加合理，经过计算，使用地源热泵全年冷暖两季的运行费用要比普通空调加锅炉系统的运行费用少三分之一，使用效果还要好。3、分步施工、分步安装：分户式地源热泵空调，可根据项目具体情况，实施分步施工、分步安装。4、分户式地源热泵系统分别由地埋管、地源热泵机组及室内毛细管网组成。
1.地埋管地源热泵系统原理、特点
地埋管地源热泵系统获取浅层地温能方式是采用地埋管换热系统，其工作原理是传热介质（主要是水或乙二醇）在密闭的竖直或水平地埋管中循环，利用传热介质与地下岩土层、地下水之间的温差进行热交换，达到利用浅层地温能的目的，并进而通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷，工作原理图见3-11和图3-12。
图3-11 夏季地埋管地源热泵工作原理图
图3-12 冬季地埋管地源热泵工作原理图
地埋管地源热泵除具有地源热泵的所有特点外，还具以下显著的特点是：
（1）项目需根据的冷、热负荷大小钻凿数量众多的钻孔，下入有一定强度、抗腐蚀和传热性能好的密闭循环管，然后将所有的循环管连接起来进入机房和主机。
（2）地源热泵系统与地下岩土体、地下水之间通过传导散（吸）热，区别于地下水地源热泵系统主要通过对流散（吸）热，热交换效率低于地下水地源热泵系统。
（3）与传统空调系统相比，地埋管地源热泵系统的主要缺点是其地埋管换热器初投资较高，并且一般情况下也高于地下水地源热泵系统的初投资，这也是阻碍地源热泵系统发展的主要原因之一。
（4）与地下水地源热泵系统相比，地埋管换热器占地面积较地下地下水热泵系统大。这也是阻碍地埋管地源热泵系统在人口、建筑密集区发展的另一重要原因。地埋管换热器一般布置在绿地、道路、停车场、广场、学校操场等下面，也有布置在建筑物基础下和建筑物的桩基内。
（5）与地下水地源热泵系统相比，地埋管地源热泵系统因不从地下取水，从理论上讲对地下空间环境影响较地下水地源热泵系统小，办理手续也较地下水地源热泵系统简单。
（6）具有绿色环保、高效节能、运行成本低、一机多用、技术成熟、应用范围广（原则上适用于任何地层和建筑）、无需抽取地下水等特点，未来应用前景广阔。
（7）从水文地质角度讲，松散层孔隙地下水的富水性主要受含水层的粒径影响，粒径越大，孔隙度越大，地层富水性越好、渗透性越强。因此，地下水地源热泵和地埋管地源热泵项目对水文地质条件要求具有一定的互补性，也就是不适合地下水的地区，往往适合地埋管。以北京地区为例，地下水地源热泵主要分布在永定河冲洪积扇中上部的海淀、丰台两区，而地埋管地源热泵主要分布在顺义、昌平、朝阳、海淀山后地区，也就是温榆河、永定河、潮白河冲洪积扇的中下部的广大地区。
2.地源热泵系统的组成和基本情况介绍
地埋管地源热泵系统与地下水地源热泵系统相似，由地埋管换热系统、机房系统和末端系统三部分组成。从专业技术角度上讲，末端系统的设计和施工属于由暖通空调专业；机房系统主要由主机、电气自控系统和水流控制系统组成，其核心是热泵机组技术；地埋管换热系统的设计和施工属于地质和水文地质专业，必须由有地质勘察和凿井施工资质的专业部门来完成。因此，地埋管地源热泵系统的核心实际上是以单独的暖通空调技术、热泵机组技术和地质勘察技术为支撑的、多学科相互配合和有机组成的综合新型、环保、节能技术。
根据地埋管路埋置方式的不同，地埋管换热系统可分为水平地埋管换热器和竖直埋管换热器，见图3-13和图3-14。水平地埋管是在地面挖1.5～2.5m深的沟，每个沟中埋设2、4或6根换热塑料管，因水平埋管占地面积较竖直埋管大，效率较竖直埋管低，故我国已建的地埋管地源热泵系统大多采用竖直埋管系统。
图3-13 水平地埋管换热器
图3-14 竖直地埋管换热器
竖直地埋管系统埋管深度一般在50～150m之间，以100m左右深度的钻孔居多，钻孔口径一般在120～150mm之间，大多数钻孔施工在第四系松散层中，少部分项目钻孔施工在基岩中，如北京市昌平区山水宜家别墅、房山区天湖国际会议酒店项目等；钻孔与地埋管之间采用回填料填实，回填方式主要有原浆回填、中砂回填、素土回填和水泥砂浆回填等；地埋管材质以HDPE管为主，直径绝大多数φ32mm。
根据竖直地埋管埋入换热孔内U形管的数量，系统又可分为单U和双U埋管系统，见图3-15和图3-16；地埋管与周围岩土体换热方式为传导散热或吸热，为避免换热孔之间的相互干扰和节省占地，地埋管孔设计间距一般4～6m；根据设计要求的不同，地埋管内的循环液（换热介质）可以是水或防冻液。
图3-15 单U竖直埋管地源热泵换热系统
图3-16 双U竖直埋管地源热泵换热系统
3.地源热泵系统核心技术——单孔换热能力分析
在推广地埋管地源热泵技术实践过程中，由于各地区地质和水文地质条件的复杂性和多变性，尤其是地下水位埋深和地下水的渗透速度的差异，导致各地区岩（土）层的导热性和地埋管单延米换热能力差异巨大，在一个地区能成功应用的地下换热系统，在另一地区往往并不适用，即使在同一地区，也因项目地点位于河道冲洪积扇的上、中、下游的不同，导致项目设计的单孔换热能力不同。因此，与地下水地源热泵系统相同，地质勘察技术仍是地埋管地源热泵系统技术的核心，也是浅层地温能开发利用工程能否成功应用于实践的关键。
地埋管换热器是地源热泵技术的核心，它由众多的地埋管孔及其连接它们的U型管、水平管组成。在一定的冷、热负荷情况下，如果地埋管孔数量设计偏多，单孔换热量未达到最佳的单孔换热能力，就意味着项目初投资偏大，占地面积也越大，地埋侧末端循环泵也越大，运行的经济性降低；如果地埋管孔数量设计偏少，单孔换热量不能满足负荷要求，就意味着循环液在冬季出水温度会越来越低，出现“末寒”现象，夏季出水温度会越来越高，出现“末热”现象，降低主机运行的能效比，甚至导致主机停机保护，系统无法运行，其结果最终是影响系统的经济性和系统的稳定性。
地埋管换热器设计是否合理，决定着地源热泵系统的经济性和运行可靠性。因此，单孔换热能力分析是地埋管换热器设计的核心。增强地埋管换热器传热的方法与传统的换热器基本相同，即应提高传热温差，增加传热面积，减少传热热阻。
传热温差的改变要受到地层温度、循环液温度及热泵主机的参数的限制。地层温度在各地区是恒定的，无法改变。循环液温度也就是蒸发器或冷凝器出口温度，它受主机性能和参数控制，过高或过低的出口温度会降低主机运行的能效比，影响系统的经济性。
增加传热面积实际上就是增加地埋管换热器长度，这也就是增加项目初期投资，增大占地面积，过度的地埋管换热器长度不但不会提高系统的经济性反而会降低地埋管地源热泵项目的经济性。
因此，增强地埋管换热器传热的方法主要是降低传热热阻。循环液与地下岩土体、地下水之间的传热过程受以下两种因素控制：一是地埋管换热器；二是岩土体、地下水的传热性能。在工程实践过程中，通常以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域划分为钻孔内的地埋管、回填料部分和钻孔以外的岩土体部分。钻孔以外部分的传热由两部分组成，一是从钻孔壁到末端未受到干扰的远端介质的岩土层热阻，该项热阻主要取决于岩土体导热系数；二是各地埋管之间温度场的相互干扰而形成的附加温变热阻，这部分热阻主要取决于地埋管的布置形式和间距，及其释、放热量的平衡程度。钻孔内部的传热热阻主要由管内热阻和管外回填料的热阻构成，这部分热阻容易通过工程措施控制，可增加单孔换热能力。
1）钻孔外热阻
岩土体的导热系数和热扩散率对地埋管换热器设计非常重要，决定了地埋管换热器长度、地埋管的布置形式和间距、占地面积。岩土体导热系数表示通过大地的热传导能力。热扩散率是衡量大地传递和存储热量能力的尺度。岩土体的含湿量对岩土体的导热系数和热扩散率有很大影响，夏季工况运行时地埋管换热器内循环液温度高于岩土体温度，导致地埋管周围的岩土体水分扩散减少，岩土体变得干燥，降低其导热系数，形成热不稳定现象。在设计换热器长度时，在地下水缺乏或地下水埋藏较深的地区，尤其需要注意。
地埋管换热器运行过程中，地埋管周围的岩土体温度场会发生变化，随着地温变化程度的增加和区域的扩大，相邻地埋管之间换热将受影响，把这种因地温变化而引起的换热阻力的增加与换热量的减弱，称为温变热阻。如果一年内，地埋管换热器从岩土体中吸收或散发的热量不平衡，会引起多余热量（冷量）的积累，引起地下恒温的变化，导致温度热阻的增加。
地下水渗流对地埋管换热能力有着非常重要的影响。由于地下水的热容量大，吸收或散发热量也大，在有地下水渗流情况下，热量或冷量很容易被流动的地下水带走，形成另一条热流通道，大大降低传热热阻。即使冷、热负荷不平衡的区域，地下水流动也将减弱“温变热阻”的影响。
2）钻孔内热阻
钻孔内热阻主要由地埋管和回填料的传热性能所控制。地埋管应采用化学稳定性好，有一定强度（主要是考虑埋管较深时，循环液对埋管的压力）、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材和管件。在目前技术、经济水平的情况下，大多已建工程采用聚乙烯管（PE管），这是综合考虑上面各项要求的选择结果。
在目前技术、经济水平的情况下，选择恰当的回填料是大多数地埋管地源热泵项目能够减少投资、提高系统运行经济性的最适宜手段。回填料介于地埋管与孔壁之间，其目的是增强地埋管与周围岩土体的换热能力，同时防止地表水通过钻孔向地下渗透，污染地下水和避免不同含水层地下水之间的交叉污染。回填材料的选择以及正确的回填施工对保证地埋管换热器性能有重要意义。采用导热性能不良的回填材料将显著增大钻孔内的热阻，在同样情况下导致所需的钻孔总长度增加，同时也意味着系统初投资以及运行费用增加。
根据《地源热泵工程技术规范》（GB50366—2005），“灌浆回填材料宜采用膨润土和细沙（或水泥）的混合浆或专用回填材料；当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填；回填材料及其配比应符合设计要求”。笔者建议：在地下水位面以下采用粗砂、砾石回填，在地下水位面以上采用水泥砂浆回填，其原因是：
（1）在地下水位面以下的钻孔区域，采用粗砂、砾石（D2～4mm，要求磨圆度好）回填将能够充分利用地下水热容量大和流动性好的特点，将产生的热量或冷量尽快带走，形成对流散（吸）热通道。由于存在地下水交叉污染的风险，在地下水有分层污染情况的地区，谨慎采用；
（2）在地下水位面以上的钻孔区域，回填料必须回填密实、完整，完全隔绝空气与地埋管之间接触，彻底避免空气混入回填料中，采用水泥砂浆回填将能够做到上述要求，更重要的是水泥砂浆回填具有良好的导热性、经济性及足够的耐久性等。
4.地源热泵系统设计和施工技术要求
地源热泵系统设计和施工应严格遵守《地源热泵工程技术规范》（GB50366—2005）。根据多年地埋管地源热泵项目施工及运行监测经验，同时应注意以下几点：
（1）在场地条件许可的情况下，地埋管换热器的施工尽量靠近的控制机房，以最大幅度节省地埋侧循环功率，提高系统的功效比。据调查，北京昌平区某地埋管地源热泵项目夏季运行时循环泵耗电量（包括末端循环泵）占到总耗电量40%～50%，明显高于正常值，其原因是地埋管换热器施工场地距机房较远，循环泵功率过大所致。
（2）在条件许可的情况下，地埋管地源热泵项目建成后最好首先运行制冷季，其目的是保证冬季运行效果，防止发生循环液（如果是水的话）冰冻的风险。
（3）地下水对地埋管孔的换热能力有非常重要的影响，但一般情况下地下水渗流速度快的区域含水层颗粒较大，施工地埋管孔难度较大，增大了项目的施工成本，故应综合考虑施工成本和换热能力的关系。
（4）当建筑物分散，且场地条件许可的情况下，宜采用分散式机房，有利于提高项目的经济性。
（5）地埋管孔一般深度在100m左右，一旦地埋管地源热泵系统建成并投入运行后，就需要永久占用地下空间（2m以下区域），将对区域规划（如地铁线路）和管线布置产生影响；
（6）在进行回填料回填施工时，务忙用铁铲一铲一铲的回填，速度不宜过快，防止因过快回填导致的回填料不实的情况发生。严禁用小推车整车灌入式回填。
（7）项目运行阶段，应密切关注和记录主机的供回水温度，主机和循环泵耗电量，为科学分析项目的运行情况打下基础。
（8）由于地埋管孔的单孔换能力测试试验时间有限（一般为10天左右），并且未能考虑到“温变热阻”的影响，因此其热物性结果往往并不能完全反映一个供暖或一个制冷季的运行情况，建议设计时参考相同地区、相同水文地质条件已建项目的经验值。
（9）地埋管孔的布置应综合考虑“温变热阻”影响和项目经济性。
（10）在进行地埋管地源热泵项目设计时，必须保证各地埋管孔的水力平衡，确保每个循环管内流速基本一致。
（11）应精确计算地埋管内流速，流速过大不会增加换热量，反而降低项目的经济性；流速过小将降低单孔换热能力。
地埋管地源热泵项目由于施工地埋管钻数量众多，因此地埋管钻施工成本往往是初投资大小的主要决定因素，建议在项目的论证阶段务必施工勘探试验孔，掌握项目的施工难度和施工成本大小，为项目的预算打下基础。根据《地源热泵工程技术规范》（GB50366-2005）要求，地源热泵系统方案设计前，也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。地埋管地源热泵系统方案设计前，应对工程场区岩土体地质条件进行勘察，勘察内容包括：
（1）岩土层结构；
（2）岩土体热物性；
（3）岩土体温度；
（4）地下水静水位埋深、水温、水质及分布；
（5）地下水径流方向、速度；
（6）冻土层厚度。
地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。
