第二章地源热泵系统介绍地源热泵技术，是一门实践性极强实用技术，它是一种利浅层常温土壤中的能量作为能源的高效节能、无污染、低运行成本的既可采暖又可制冷、并可提供卫生热水的新型空调技术。

地源热泵系统是利用地下土壤常年温度相对稳定的特性，通过埋入建筑物周围的地耦管与建筑物内部完成热交换的装置。

冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑物供暖，同时把建筑物内的冷量储存至地下，以备夏季制冷使用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑物进行降温，同时储存热量，以备冬季制热时使用。

如果夏热冬冷地区制冷和采暖天数基本一致，冷暖负荷大致相同，使用同一系统，可以充分发挥地下储能的作用，同时还能供应生活热水。

因此地源热泵技术被称为二十一世纪的“绿色空调技术”，地源热泵中央空调系统也成为目前中央空调方案中的最佳选择。

热泵技术的真正蓬勃兴旺还是在1973 年“能源危机”后出现的，20 世纪70 年代，石油危机把人们的注意力集中到高效、节能的能源利用上面来，使地源热泵的发展得到了一次质的突破。

在这一时期，地下埋管的材料从传统的金属管发展到具有抗腐蚀性能好、抗冲击强度高、耐强震、耐扭曲的聚乙烯材质。

地源热泵系统主要分为三部分：一是能量采集系统；二是能量提升系统；三是能量释放系统。

一、能量采集系统1、浅层地能热的特点上章已详细说明，不再重复。

2、土壤的物理特性采取地耦管热器的地热泵系统就是充分利用了这种浅层低温地热能，把大地作为热源，通过热交换器来传递热量。

土壤的性质随着地区和季节的变化而不同，不同的土壤作为热泵的低温热源，目前还难以作出优劣的评价。

影响这个传热过程的因素主要有两个：Q=k*F*(T1-T2)一是传热面积；二是土壤的热力参数，包括土壤的热工特性、大地的平均温度、土壤的含水率、土壤的密度和地下渗流等。

(1) 热工特性热工特性主要包括导热系数、容积热容量、热扩散率等。

导热系数: 表示土壤传导热量能力的一个热物理特性指标，在数量上为kCal/m·h·℃；土壤的容积热容量:表征土壤的蓄热能力；热扩散率：表征土壤温度场的变化速度。

导热系数、容积热容量、热扩散率因土壤成分、结构、密度、含水量的不同而不同，并随着地区不同和季节的变化而变化。

在同一地区，土壤换热器对土壤的放热能力和对土壤的吸热能力是不同的。

一般情况，土壤换热器对土壤的吸热能力小于放热能力，在数据上，吸热量是放热量的0.5—0.7 倍。

热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。

在此过程中，介质溶液（通常为水）在埋管内宏观流动，冷热溶液相互掺混引起热量传递，形成对流换热，此过程中液体的粘滞力和流动速度影响其换热效果。

溶液的热量通过导热传递到管壁时，热量从内管壁传到外管壁，热传递的效果受管材的导热系数影响。

外管壁对土壤的传递效果取决于回填料和土壤的特性。

(2)、大地的温度对大地土壤温度情况的了解是很重要的，因为驱动热传递的就是大地与循环水之间的温差。

地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带、增温带。

变温带的地温受气温的控制呈周期性的昼夜变化和年变化，随着深度的增加，变化幅度很快的变小。

气温的影响趋于零的深度叫常温带，常温带的地温一般略高于所在地区年平均气温的2～4℃，在概略计算时，可用所在地区的年平均气温来代替常温带的温度。

常温带的深度在低纬度地区为5～10m，中纬度地区为10～20m,有些地区可达30m 左右，在某地区测定，10m 深的土壤温度接近于该地区全年平均气温，并且不受季节的影响。

在0.3m深处偏离平均温度±15℃，在3m 深处为±5℃，而在6m 深处为±1.5℃，温差波动在较深的地方消失。

常温带以下的深度称为增温带，增温带的地温主要受地壳内部热力的影响，温度随着深度的增加而有规律升高，且温度每增加1℃所增加的深度称为地热增温级(m/℃)，一般平均每33～43 m 升高1℃。

但由于岩石的导热性和水文地质条件的不同，各地区的地热增温级有很大差异。

华北地区为33～43m/℃，北京地区是50m/℃，东北大庆地区为22m/℃，各地区的大地平均温度、地表面温度和最低表面温度的天数等须有关部门研究统计，供人们查阅。

(3)、土壤的含水率土壤的含水率是影响传热能力的重要因素，当水取代土壤微粒之间的空气后，它减小微粒之间的接触热阻，提高了传热能力。

土壤的含水量在大于某一值时，土壤导热系统是恒定的，称为临界含湿量，低于此值时，导热系数下降，在夏季制冷时，热交换器向土壤传热，热交换器周围土壤中的水受热被驱除。

如果土壤处于临界含湿量时，由于水的减少使土壤的导热系数下降，恶性循环，使土壤的水分更多的被驱除。

土壤含水率的下降，使土壤吸热能力衰减的幅度比土壤放热能力衰减的幅度相对较大。

所以在干燥高温地区采用地耦管要考虑到土壤的热不稳定性。

在实际运行中，可以通过人工加水的办法来改善土壤的含水率。

（有些研究表明转换相同的热量所需的管长在潮湿土壤中为干燥土壤的1/3，在胶状土中仅为干燥土壤的1/10）。

在我国北方地下水位较高和冷负荷较小的地区，土壤的含湿量将保持在临界点以上，可以认为大部分地区全年都是潮湿土壤。

(4)、地下水的流动地下水的渗流对大地的热传递有明显的效果。

实际上，大地的地质构造很复杂，存在着松散的粘土层、砂层、沉积岩层、空气和水层等。

由于地球构造运动，各岩层又出现褶皱、倾斜、断裂现象。

地表水及降雨渗入土质层，在重力作用下，向更深层运动，最后停留在不透水层。

地下水在空隙中缓慢流动以形成渗流，自然界一般地下水在孔隙或裂缝中的流速是每日几米，故地下水大多数是层流状态运动，只有当地下水流经漂石、卵石的特大孔隙时，才会出现紊流状态运动。

地下水的流动不但能导热传热，并且还能对流传热。

若地下水渗流流速大于8cm/h 时，就可按水的传热来计算。

3、埋管的形式对换热器的影响在实践中可知，埋管形式的不同，其单位长度的换热管的换热量不同：水平平行埋管时为1；水平螺旋埋管时为0.8；垂直单U 埋管时为1~1.2；垂直双U 埋管时为1.3~1.5。

4、系统内部液体温度(T) 对机组换热器的影响从实践中得到，在地质情况相同的条件下，热泵机组允许的最低和最高进液温度是确定热交换器地耦管长度的主要因素。

如果以允许最低进液温度为确定因素，热交换器的长度由吸热负荷确定；如果以允许最高进液温度为确定因素，热交换器的长度由放热负荷确定。

在实际应用中，温度只会达到最低或最高温度限制值中的一个。

降低机组的最高温度允许值或升高机组最低温度允许值，都要增加地耦管的长度。

竖直埋管换热器中流动的循环水温度是不断变化的。

夏季制冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物冷负荷达到最大时水温升至最高点。

冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物热负荷最多时，换热器中水温达到最低点。

设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度，因为这个设定和整个空调系统有关。

如夏季温度设定较低，对热泵压缩机制冷工况有利，机组耗能少，但埋管换热器换热面积要加大，即钻孔数要增加，埋管长度要加长。

反之温度设定较高，钻孔数和埋管长度均可减少，可节省投资，但热泵机组的制冷系数COP 值下降，能耗增加。

设定值应通过经济比较选择最佳状态点。

1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7～12℃。

地埋管中循环水进入U 型管的温度应低于30℃；2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，水温在45～50℃。

这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高COP 值并降低能耗。

地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留有安全余地为好，一般控制4℃以上。

为了降低工程的初投资，地埋管换热器变小，加大了循环水与大地间温差传热，循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。

这样可但增加了对设备的腐蚀，在严寒地区不得不这样做。

而在华北地区的工程中，建议增加少量投资，加大土壤换热器的面积，软化水就可以满足要求，不一定要加防冻液。

5、U 型埋管内的液体流速对土壤换热器的影响流体流动时有两种流态：一种是流体在管内分层流动，各流层间的流体质点互不混杂，有条不紊的向前流动，这种流动状态称为层流；另一种是流体质点在管内的运动轨迹不是规则的，各部分液体互相剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。

由紊流变成层流的速度称为临界流速u。

介质循环泵是地耦管土壤换热器循环管路中流体流动的动力。

泵安装在比换热器高的地面上，在设计中要注意泵的汽蚀性能指标。

泵的汽蚀是指泵进口压力低于泵进口流体汽化压力时，进口液体产生气泡对叶片的影响。

流体的能量增加，使产生的气泡在叶轮进口处消失，由于气泡由产生到消失是在极短的时间内完成的，气泡的破坏会产生巨大的冲击力、震动和噪声，严重时会使泵不能正常运转。

因此，在安装介质循环系统时，要在泵的上方高度上装有定压装置，保持介质循环泵进口有静压。

如果单台泵的调解量不能达到设计要求，可以采用泵的并联运行方式。

并联运行的泵扬程相等，泵的出口装有逆止阀，避免因扬程的偏差使扬程低的泵发生倒流，引起泵的反转，导致事故发生。

6、回填材料对土壤换热器的影响7、孔洞相邻间距对土壤换热器的影响孔洞传热半径为2.5 米左右，超过此值，孔洞的半径再增大，基本上换热效果不受影响，也就是说垂直埋管换热器竖直孔互不产生热干扰的孔距为5 米。

二、能量提升系统能量提升系统是将采集来的能量经提升交换，传送至空调空间，以实现能量的释放。

本系统主要的设备就是土壤源热泵专用空调机组和循环水泵。

地源热泵专用机组在不同蒸发温度下工作，压缩机的轴功率（耗电功率）和制冷量（输出功率）也随着改变。

如果建筑物内的冷、热负荷恒定，那么，系统在制冷状态时，蒸发器温度不变、压缩机吸气压力不变，若冷凝器的进出水温差小，此时机组冷凝器水温逐渐升高，促使冷凝温度升高，而单位制冷量和输出系数都要下降，则制冷量减小、轴功率增大。

系统在制热状态时，冷凝温度不变、压缩机排气压力不变，若蒸发器进出口水温差小，此时机组蒸发器的水温逐渐下降，意味着蒸发温度降低，压缩机吸气压力减小，结果是单位容积制冷量下降，压缩比、冷凝压力和蒸发压力之比增大，压缩机轴功率上升。

在土壤源热泵空调系统中，制冷运行时，冷凝压力主要取决于冷凝器水的流量和水温，水量增加，水温降低，排气压力就下降，反之就上升；制热运行时，蒸发温度与进液温度之差和蒸发器大小有直接关系，温差小时，蒸发压力就会低，蒸发器就得增大。

1、地源热泵专用机组机组的设计原则：一是提高机组的能效比，做到运行高效节能；二是扩大机组进出液温度的范围（提高机组最高允许进液温度和降低最低进液温度），保证机组安全可靠的运行。