关于地埋管地源热泵系统的设计

摘 要：热泵能将自然界低温废热转化成高温的可再生热能，能节约燃料、减少环境污染。本文主要介绍了地埋管地源热泵系统，并探讨了地埋管地源热泵设计的关键问题。

关键词：地埋管；地源；热泵；设计

1 地埋管地源热泵系统简介

1.1 地埋管地源热泵涵义

地埋管地源热泵主要工作原理就是借助水或者包含水的防冻剂在地下的埋管中流动，最终确保系统和土壤相互间的热传递。在寒冷季节的供热时，地埋管中流体吸走了地下的热量，再以系统作为媒介，将热量带入室内；而在酷暑的季节制冷时，系统将热量从室内赶走，再以埋管中的流体为媒介把热量传至土壤内。所以，地埋管地源热泵系统既维持了地下水地源热泵系统使用大地进行作业的作用，又无需抽取地下水来进行热传递。这是一种可以节约能源的环境友好型节能系统。

1.2 地埋管地源热泵系统的组成

地埋管地源热泵系统的组成如图1所示，它的构成主要包括：地能采集系统、水源热泵机组、室内空调系统与控制系统。地能采集系统主要组成元素是地埋管换热器。水源热泵机组包括两种：水/空气热泵与水/水热泵，它主要是把低位热能转移到高位热能的设备。室内空调系统就是科学处理室内空气参数，让室内环境更好的符合需求，在冬季时为人们提供暖气，夏季时提供供冷。控制系统就是结合室外环境的改变适当提升系统的传热介质流量，以便符合人们的需求。

图1地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统就是借助热泵机组来完成2个耦合：其中之一就是借助水循环或防冻液实现循环，最终让地能采集系统和水源热泵机组相互间形成耦合关系；另一是空调系统与热泵机组之间借助水或空气循环实现耦合。通过这2个耦合最终将低位热能转向高位热能。

在寒冷的冬季，开启水源热泵系统中的Vl，V2，V3和v4阀门，再关闭其他阀门。借助与水或防冻液水溶液等中间介质的循环，跟土壤实现热交换，最终吸取土壤中的低位热量，并将这些热量送至水源热泵机组内的蒸发器中，以热泵技术，把低位热能转变成高位热能，完成建筑的实际供暖。而在炎热的夏季，开启水源热泵机组中的V5，V6，V7和V8阀门，再关闭其他阀门。将蒸发器中蒸发出的冷冻水送给用户，实现室内的实际除湿降温，而冷凝器中的水吸走了冷凝热量，加热后的水又借助板式换热器将热量传至地埋管换热器中的流动水源，最终实现热量到土壤的传递。

1.3 地埋管地源热泵系统的分类

从地埋管换热器上来考虑，可地埋管地源热泵系统注意包括下述2种。

（1）水平埋管系统

这种系统比较适宜用于大面积的地表区域，并且这种浅层岩土体在温度与热物性上不容易受到雨水与埋深的影响。应该将埋管深度控制在1.2到3米之间。埋管形式主要包括水平管换热器与螺旋管换热器。这种系统成本少，施工方便，但是换热器传热的效果不好，容易受到地面温度变化的影响，热泵在运行时不够稳定，会占据较大的地域面积。

（2）竖直埋管系统

如果是一些不适合使用水平埋管的地方，应该使用的形式是竖直埋管换热器，这种形式比较适宜用在埋深10至100米的U形垂直埋管、套管及螺旋管中。这种系统不仅能节省较多的占地面积，深层土壤中的温度稳定性较强，热泵能稳定的运行，但是初始阶段的投资费用比较多，埋管甚至会占到初始投资阶段费用的50%。

2 地埋管地源热泵设计的关键问题探讨

2.1 土壤热物性问题

土壤热物性问题主要包括热导率与蓄热性。热导率主要是指沿法线方向的温差在1℃左右时，土壤的实际传递热量。蓄热性主要是指土壤温度在出现1℃改变时，单位面积中的土壤所能容纳的热量。这时，土壤的热导率跨度比较大，会处于0.5至2.5W/（m·K）之间，它的具体值会跟土壤含水量和化学成分等因素有密切关系。在进行系统设计时，一定要对当地的实际土壤热导率进行测量，或参考本地水文地质部门近期的资料，来明确土壤热导率。不能因为工程计算中没有资料可以参考，就使用1.75W/（m·K）的土壤热导率。因为这无法反映实际管道部位的土壤情况，会引起很大的计算误差。要是计算不够准确，就会导致贮热土壤温度的不适宜，直接影响地埋管换热器的传热稳定性和热泵机组的实际运行效果。

2.2 地埋管换热器的热平衡

应该对地埋管地源热泵系统实行全年动态负荷计算，最好是以一年当成最小的计算周期。在这个计算周期中，确保地埋管地源热泵总释防热量跟总吸热量保持平衡。应该确保地埋管地源热泵系统最大释热量跟建筑设计冷负荷相应，最大吸热量跟建筑设计热负荷相应。普遍来说，南方酷热的天气中制冷需要冬天制热大很多的负荷，导致夏季空调转向土壤的排热量远远大过冬季供暖所需热量，导致全年冷热负荷出现了较大程度的平衡失调，使得地埋管位置的持续温度升高，最终直接影响了地埋管换热器的换热性能，大大降低了地埋管换热系统的运行效率。设计要根据冬天的实际负荷选用地下换热器，夏季应该借助冷却塔的设置来补偿制冷负荷，可以借助换热器和冷却塔把地埋管换热器中的流体冷却，确保系统总释热量跟总吸热量保持平衡，再者，还应大大减少地埋管换热器的面积，以便节省整个系统的初始资金投入。

2.3 控制地埋管换热器中的流速

当地质条件和所用管材相同时，管内流体的流动状态会直接影响到地埋管换热器内流体和土壤换热。紊流的传热效果要大大好过层流状态。应以流动状态增加管内流速，提高紊流脉动程度，增加地埋管换热器的换热效果。对于圆管压力流，管内流体的临界雷诺数为2300。所以，选好管材的类型后，应该结合管内流体的动力黏度和密度等参数，对管内流体的流动速度进行计算，确保此流速状态下，管内流体的雷诺数在2300以上，保证管内流体处在紊流状态。

2.4 地埋管换热器的承压问题

这个问题相当重要，特别是竖直埋管更要做好承压设计。要验证系统中最不利点管道的工作压力，当所选用管材的公称压力不能符合系统的工作压力时，则换用耐压等级更高的管道或用中间换热器将地下埋管换热器与建筑物内系统分开。

2.5 埋管深度及数量优化问题

地埋管换热器埋设的深度与埋设的数量成反比，确定埋管深度和数量是设计地埋管换热器的关键，应进行较为严格的优化。管道埋深首先受埋管区域的地质影响，有些区域易于成井，如黄粘土，且成井造价低，可适当增加埋深；有的土质不易于成井，如岩石、流砂等，且成井造价高。应尽量减少埋深。其次受塑料管道承压能力的限制，对于PPR塑料管，承压能力不超过1.6MPa。如果不考虑管内流动阻力影响，其最多能承受160MPa的压力，将补水定压考虑字啊内，埋管深度要在120m左右。确定了管道埋深后，再确定管道的数量。不可单凭经验就确定下来。

2.6 塑料管热膨胀及应力消除问题

地埋管换热器采用塑料管，塑料的稳定性较好，具有较好的弹性和韧性，可以发生一定量的变形。而对于PPR管道，其线性膨胀系数为0.16-0.18mm/m·K，当管道直线距离过长时，温度变化会加大伸长量，可能会破坏管道的应力集中处。设计时每隔一段距离就应弯曲管道，或者设置固定墩来分解管道应力。具体的距离要分析塑料管道应力后才能确定。

参考文献：

[1]余鑫，王如竹，翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调.20lO，40（2）：l一9.

[2]马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调.2009，39（1）.

[3]秉忱，田廷山，赵继昌.我国地温资源开发与地源热泵技术应用、发展及存在问题[J].地热能.2009，（1）.

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