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(dòng)， 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(duì)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(tái)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(guò)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(guò)程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。熱

2、泵在工作時(shí)，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(guò)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(shì)從科學(xué)利用熱能的角度來(lái)說(shuō), 使用電力、 燃?xì)狻⑷加偷雀咂肺坏哪茉? 來(lái)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(guò)程即使是達(dá)到100%的效率,表面看是沒(méi)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。現(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(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能, 其 系統(tǒng)“效率”不可能超過(guò) 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(guó)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(duì)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(tái) “泵”,這個(gè)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(shí),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(gè)過(guò)程原理（1）壓縮過(guò)程蒸發(fā)后的運(yùn)行工質(zhì)被吸入壓縮機(jī)， 通過(guò)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(duì)于較低溫度的自來(lái)水易于放熱、液化。（2）冷凝過(guò)程 從壓縮機(jī)排出的高壓高溫工質(zhì)被常溫的自來(lái)水吸收熱量而變成的液態(tài)工質(zhì)。（3）節(jié)流過(guò)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(guò)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(guò)四通 閥的切換方向，改變制冷劑的流動(dòng)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(guò)水箱的自來(lái)水， 然后通過(guò)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(lái)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(wú)限大。熱泵制熱時(shí)， 如果熱泵主機(jī)換熱器的溫度太低， 則冷凝水會(huì)在熱泵主機(jī)換熱器上結(jié)霜， 影響 制熱效果， 此時(shí)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(kāi)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(guò)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(wàn)臺(tái)。熱泵冷熱水機(jī)組自 90 年代初開(kāi)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(jì)， 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(dòng)的趨勢(shì)。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(duì)建筑物供冷。 雖然目前空氣能熱泵機(jī)組在我國(guó)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(wèn)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(lái)國(guó)內(nèi)應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。三、地源熱泵 地源熱泵是以大地為熱源對(duì)建筑進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)， 冬季通過(guò)熱泵將大地中的低位熱能提高對(duì) 建筑供暖， 同時(shí)蓄存冷量， 以備夏用； 夏季通過(guò)熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)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(guó)的 重視。 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(jì)、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(yáng) - 空氣源熱泵系 統(tǒng)、空氣回?zé)釤岜谩⑻?yáng) -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(yáng) - 空氣熱源熱泵系統(tǒng)太陽(yáng) -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(yáng)能熱源而新開(kāi)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(wú)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(guó)、 德國(guó)及瑞典等北歐國(guó)家， 已有上萬(wàn)臺(tái)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(yáng)能 - 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)太陽(yáng)能水源熱泵系統(tǒng)由三部分組成， 即太陽(yáng)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(yáng)能的間歇性和不穩(wěn)定性。 當(dāng)環(huán)路 水溫高于 35C時(shí)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)同消防水池?cái)嚅_(kāi)，冷卻塔投入運(yùn)行，當(dāng)環(huán)路水溫在1535 C之間時(shí)，太陽(yáng)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(yáng)能用來(lái)加熱 生活用水；當(dāng)環(huán)路水溫低于15C時(shí)，環(huán)路與消防水池連通， 太陽(yáng)能水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)吸收太 陽(yáng)能。若仍有多余的太陽(yáng)能時(shí)，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(guó)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(jì)要點(diǎn)解析中國(guó)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(duì)不同地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合規(guī)范條文，對(duì) 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞： 地源熱泵系統(tǒng)、設(shè)計(jì)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(shí)期我國(guó)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(shí)也是最利于與太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)相結(jié)

12、合 的系統(tǒng)形式， 近年來(lái)在國(guó)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(méi)有對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源狀況進(jìn)行充分評(píng)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(jì)、 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(guó)建筑科學(xué)研究院主編，會(huì)同 13 個(gè)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(jiǎn)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(jì)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(wèn) 題，同時(shí)也是國(guó)外熱點(diǎn)課題，在新頒布的規(guī)范中首次對(duì)其設(shè)計(jì)方法提出了具體要求。為 了加深對(duì)規(guī)范條文的理解，本文對(duì)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)嵩矗运蛱砑臃纼鰟┑乃芤?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(jì)、 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(xiǎn)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(jiǎn)稱地埋管 系統(tǒng)）、地下水地源熱泵系統(tǒng) （簡(jiǎn)稱地下水系統(tǒng)） 和地表水地源熱泵系統(tǒng) （簡(jiǎn)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(shí)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(gè)廣義概念， 包括河流、 湖泊、 海 水、中水或達(dá)到國(guó)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(jì)特點(diǎn)（1）地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約對(duì)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(jiān)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(duì)地埋管換熱器也會(huì)產(chǎn)生不利影 響。為此，工程勘察完成后，應(yīng)對(duì)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(píng)估。 對(duì)地下水系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時(shí)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(jì)，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(duì)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(duì)抽水量、回灌量及其水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 ” 對(duì)地表水系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)地表水系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)水環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估； 地表水換熱系統(tǒng) 設(shè)計(jì)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(huì)有很大差異， 這些因素都會(huì)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)影響

17、。 如地埋管系統(tǒng)， 巖 土體熱物性對(duì)地埋管換熱器的換熱效果有很大影響，單位管長(zhǎng)換熱能力差別可達(dá) 3 倍或更 多。（3）設(shè)計(jì)相對(duì)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(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。 地下?lián)Q熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程， 影響因素眾多， 計(jì)算過(guò)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(jì)應(yīng)考慮低位熱源長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。 方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)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(cè)， 根據(jù)預(yù)測(cè)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(shí)， 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(guò)程， 也就是方案優(yōu)化的過(guò)程， 無(wú)形中提高了方案設(shè)計(jì)的難度。4 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.1 地埋管系統(tǒng)由于地埋管系統(tǒng)通過(guò)埋管換熱方式將淺層地?zé)崮苜Y源加以利用， 避免了對(duì)地下水資源的 依賴， 近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 但地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一直沒(méi)有明確規(guī)定， 通常 設(shè)計(jì)院將地埋管換熱設(shè)計(jì)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(guó) 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(jì)負(fù)荷， 按經(jīng)驗(yàn)估算

19、確定埋管數(shù)量及埋 深，對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響缺乏分析， 對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行效果沒(méi)有預(yù)測(cè)， 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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，在保證需求的條件下，地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低初投資及運(yùn)行費(fèi)用。4.1.1負(fù)荷計(jì)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(zhǎng)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(gè)具有代表性的地區(qū)：北 京、上海、沈陽(yáng)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(dòng)

20、情況，見(jiàn)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(yáng)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(guó)建筑科學(xué)研究院研究報(bào)告地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yáng)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(guó)建筑科學(xué)研究院研究報(bào)告地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析由表1 - 1、表1-2可見(jiàn)，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(huì)帶來(lái)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(jì)應(yīng)進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最小計(jì)算周期宜為1年。計(jì)

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?！?.1.2地埋管換熱器設(shè)計(jì)地埋管換熱器設(shè)計(jì)是地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)情況等地質(zhì)條件的影響，同時(shí)建筑物全年動(dòng)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(huì)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(jiǎn)稱豎直埋管） 和水平地埋管換熱器（以下簡(jiǎn)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(jì)的關(guān)鍵。規(guī)范中規(guī)定“地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以擾動(dòng)-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(guò)水環(huán)路，將一定熱量（擾動(dòng)）加給豎直埋管，記錄熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，獲得測(cè)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(shí)分析，以提高分析的可靠性。巖土體熱物性測(cè)試裝置如圖1所示：巖土體熱物性測(cè)試要求測(cè)試時(shí)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(cè)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(duì)測(cè)量精度等也有具體要求?！?1目前測(cè)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(cè)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(cè)試裝置豎直埋管地下傳熱計(jì)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(jì)算埋管換熱器的合適方法，1985年Kavanaugh考慮U型排列和逐時(shí)熱流變化對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中很少使用這種乏味的計(jì)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(jì)。80年代末，瑞典開(kāi)發(fā)出一套計(jì)算結(jié)果可靠且使用簡(jiǎn)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(duì)同一土質(zhì)內(nèi)單一鉆孔建立瞬時(shí)有限差分方程，進(jìn)行二維數(shù)值計(jì)算獲得單孔周圍的溫度分布。通過(guò)對(duì)單孔溫度場(chǎng)的附加，得到整個(gè)埋管區(qū)域相應(yīng)的溫度情況。為便于計(jì)算，將埋管區(qū)域的溫度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成一系列無(wú)因次溫度響應(yīng)系數(shù)，這些系數(shù)被稱為 g-functions 。通過(guò)g-functions可以計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)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(jì)算。1999年Yavuzturk和Spitler對(duì)Eskilson的g-functions 進(jìn)行了改進(jìn)，使該方法適用于短時(shí)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(shí)吸 熱與釋熱變化過(guò)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(jì)計(jì)算 方法，供設(shè)計(jì)選用。水平埋管由于占地問(wèn)題， 大多城市住宅或公建均很難采用。 由于應(yīng)用較少， 國(guó)內(nèi)外 對(duì)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(cè)給出了一 些推薦數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)選用。主流地埋管設(shè)計(jì)軟件基本上均包括水平

27、埋管的計(jì)算。4.1.3 設(shè)計(jì)軟件通常地埋管設(shè)計(jì)計(jì)算是由軟件完成的。 一方面是因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱過(guò)程的復(fù)雜性， 為盡可能 節(jié)約埋管費(fèi)用， 需要對(duì)埋管數(shù)量作準(zhǔn)確計(jì)算； 另一方面地埋管設(shè)計(jì)需要預(yù)測(cè)隨建筑負(fù)荷的變 化埋管換熱器逐時(shí)熱響應(yīng)情況及巖土體長(zhǎng)期溫度變換情況。 加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) （CAN/CSA-C448.1）中對(duì)地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件明確提出了以下要求：1 能計(jì)算或輸入建筑物全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷；2 能計(jì)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(zhǎng)期儲(chǔ)熱效果；4 能計(jì)算巖土體、傳熱介質(zhì)及換熱管的熱物性；5 能對(duì)所設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)： 一是在滿足埋管換熱器設(shè)計(jì)要求的前提下， 用戶輸入 最少，計(jì)算時(shí)間最短；二是要求能模擬預(yù)測(cè)隨建筑負(fù)荷變化，埋管換熱器逐時(shí)熱響應(yīng)情況。目前，在國(guó)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(kāi)發(fā)的EED§序，美國(guó)威斯康星 Wisconsin-Madison 大學(xué)Solar Energy實(shí)驗(yàn)室（SEL）開(kāi)發(fā)的TRNSYS 程序，美國(guó)俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開(kāi)發(fā)的GLHEPR程序。此外還有加拿大 NR（開(kāi)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(jì)目前國(guó)內(nèi)地下水項(xiàng) 目已近 300 個(gè)。對(duì)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(jì)必須保證持續(xù)出水量需求及長(zhǎng)期可靠回灌不得對(duì)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(wú)可靠的回灌，不僅造成水資源的浪費(fèi)，同時(shí)地下水大量開(kāi)采還會(huì)引起的地面沉降、 地裂縫、 地面塌陷等地質(zhì)問(wèn)題。 在國(guó)內(nèi)的實(shí)際使用過(guò)程中， 由于地質(zhì)及成井工藝的問(wèn)題， 回 灌堵塞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。 堵塞原因與熱源井設(shè)計(jì)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(jì)單位應(yīng)具有水文地質(zhì)勘察資質(zhì)” ；設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)高是目前地下水系統(tǒng)運(yùn)行存在的普遍問(wèn)題。 在對(duì)國(guó)內(nèi)部分地下水系統(tǒng)的調(diào)

31、查時(shí)發(fā)現(xiàn)， 大多地下水系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)節(jié)措施， 長(zhǎng)期定流量運(yùn)行， 只有少數(shù)系統(tǒng)采用了臺(tái)數(shù)控制。 據(jù)相關(guān)資料介紹，在不良的設(shè)計(jì)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(jì)” 。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(jì)時(shí)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(duì)水源熱泵回灌下游水質(zhì)跟蹤檢測(cè)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(duì)飲用水的層間交叉

32、污染， 同時(shí)在設(shè)計(jì)、 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(huì)對(duì)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(kāi)式和閉式兩種，開(kāi)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(shì)是沒(méi)有鉆孔或挖掘費(fèi)用， 投資相對(duì)低； 缺點(diǎn)是設(shè) 在公共水體中的換熱管有被損害的危險(xiǎn)， 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(jì)前應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)水環(huán)境的影響 預(yù)測(cè)地表水系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)水體溫度的影響，避免對(duì)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(shí)，應(yīng)考慮對(duì)行船等水面用途的影響。

33、（2）掌握地表水的水溫動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。地表水體的熱傳導(dǎo)主要有 三種形式，一是太陽(yáng)輻射熱，二是與周圍空氣間的對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)，通常水體溫度是根據(jù)室外空氣溫度，通 過(guò)軟件模擬計(jì)算獲得。（3）與地埋管系統(tǒng)一樣，閉式地表水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)水體溫度的變化。對(duì)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(shuō)明地表水體與外界環(huán)境換熱量相對(duì)較大，一般可以消除冬夏吸釋熱量不平衡對(duì)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(wèn)題

34、。就海水源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 該問(wèn)題更加突出。我國(guó)濱臨渤海、黃海、東海、南海，有著很長(zhǎng)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(duì)設(shè)備的腐蝕 性成為海水源熱泵發(fā)展的一個(gè)瓶頸。為此規(guī)范中特別對(duì)海水源系統(tǒng)作了如下規(guī) 定“當(dāng)?shù)乇硭w為海水時(shí)，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(guò)濾、清理的功能?！?.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(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)水源熱泵機(jī)組GB/T19409中，對(duì)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(jì)時(shí)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(jì)時(shí)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(shí)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(shí)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)