一、引言

 

  地源熱泵是地下土壤層為冷（熱）源對建筑物進(jìn)行供暖、供熱水和空調(diào)供應(yīng)的技術(shù)。眾所周知，地層之下一年四季均保持一個(gè)相對穩(wěn)定的溫度。在夏季，地下的溫度要比地面空氣溫度低，在冬季卻比地面空氣溫度高。地源熱泵正是利用大地的這個(gè)特點(diǎn)，通過埋藏在地下的換熱器，與土壤或巖石交換熱量。地源熱泵全年運(yùn)行工況穩(wěn)定，不需要其它輔助熱源及冷卻設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降。在冬天，管道內(nèi)的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統(tǒng)導(dǎo)入建筑物內(nèi)，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內(nèi)抽出，通過系統(tǒng)排入地下，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵一年四季均能可靠的提供高品質(zhì)的冷暖空氣，為我們營造一個(gè)非常舒適的室內(nèi)環(huán)境。因此，地源熱泵空調(diào)得到了廣泛的發(fā)展，尤其適合作為戶式中央空調(diào)的冷（熱）源。

 

  地源熱泵的歷史很悠久，美國早在上世紀(jì)初就開始了對地源熱泵的性能研究，目前在美國地源熱泵已經(jīng)成為了一種成熟的，完全產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。到2001年止，已安裝了400000臺(tái)地源熱泵，且還在以每年10%速度穩(wěn)步增長。在北歐如瑞典這些國家，90%的房屋裝有地源熱泵。相對而言，我國對地源熱泵的研究則要晚得多，直到上世紀(jì)80年代才有一些單位對它開始進(jìn)行系統(tǒng)研究。國內(nèi)開始對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數(shù)都局限于對所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試并與傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵性能進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結(jié)論只適用于某一具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少而不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。因此在地源熱泵機(jī)組及系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)上還有許多尚待解決的問題。本文將對戶式水-水式地源熱泵機(jī)組、土壤熱交換器及整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)等的開發(fā)與設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單探討。

 

  二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

  1.地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)簡介及選擇

 

  地源熱泵系統(tǒng)按其循環(huán)形式可分為：閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和混合循環(huán)系統(tǒng)。

 

  1.1閉式循環(huán)系統(tǒng)

 

  封閉循環(huán)系統(tǒng)是指冷（熱）源側(cè)的循環(huán)水在機(jī)組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環(huán)。管道可以通過垂直井埋入地下150-200英尺深，或水平埋入地下4-6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，而在夏天則是將建筑物內(nèi)的熱能通過管道送入地下儲(chǔ)存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。大部分地源熱泵冷（熱）源側(cè)換熱系統(tǒng)是采用封閉循環(huán)。

 

  1.2開式循環(huán)系統(tǒng)

 

  開式循環(huán)系統(tǒng)是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環(huán)相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點(diǎn)。

 

  1.3混合循環(huán)系統(tǒng)

 

  對于混合循環(huán)系統(tǒng)，地下?lián)Q熱器一般按熱負(fù)荷來計(jì)算，夏天所需的額外的冷負(fù)荷由常規(guī)的冷卻塔來提供。

 

  1.4循環(huán)系統(tǒng)選擇

 

  閉式循環(huán)系統(tǒng)是一中比較穩(wěn)定可靠的常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)，對地下水、地下環(huán)境沒有污染，一般設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮該循環(huán)系統(tǒng)。對于地下設(shè)計(jì)熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設(shè)計(jì)混合循環(huán)系統(tǒng)。

 

  2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)討論

 

  關(guān)于（冷）熱源側(cè)水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環(huán)流程長度、埋管材料、管徑大小、當(dāng)?shù)氐卦礂l件以及機(jī)組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當(dāng)增加換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗。一般可取流速為0.65-1.5m/s.具體可當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)關(guān)系如下。

 

  復(fù)合能耗N=f（長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te，地源熱指標(biāo)Ke，機(jī)組特性Type）

 

  在機(jī)組選擇上，設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度，根據(jù)測井測出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度?？傊覈鶈T遼闊，地處溫帶，在不同地區(qū)氣候條件差異很大，其負(fù)荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術(shù)成果，而要開發(fā)適合我國氣候特點(diǎn)的技術(shù)。

 

  三、機(jī)組的設(shè)計(jì)

 

  地源熱泵的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。對于戶式地源熱泵系統(tǒng)，以水-水系統(tǒng)為例，由一個(gè)室外機(jī)組和多個(gè)室內(nèi)機(jī)組組成。該系統(tǒng)可以對每個(gè)空調(diào)室進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，滿足各個(gè)空調(diào)室的要求，具有較好的節(jié)能效果。而變頻戶式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加上獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)是一很有發(fā)展前景的理想的節(jié)能舒適型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)。因而其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有極其重要的價(jià)值。

 

  傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)加實(shí)驗(yàn)為主。通常經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法簡便易行，對理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)條件等依賴性相對較小。然而經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，只適于產(chǎn)品的初步開發(fā)。而基于理論預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效。最優(yōu)化方法就是在一切可行方案中選出最優(yōu)方案的方法。在最優(yōu)化設(shè)計(jì)中，表征方案的一切獨(dú)立變量為設(shè)計(jì)變量。最優(yōu)化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價(jià)方案優(yōu)劣的指標(biāo)決定于該方案所選定的設(shè)計(jì)變量，即該指標(biāo)為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)-目標(biāo)函數(shù)。在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。

 

  變頻戶式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、室內(nèi)機(jī)、制冷劑管路和水泵水管路系統(tǒng)組成。根據(jù)制冷系統(tǒng)熱力學(xué)理論，利用參數(shù)動(dòng)態(tài)分布、相互關(guān)聯(lián)的方法，建立系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)方程，組成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方程組，并對該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為滿足空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、熱舒適性及制冷制熱好的效果，空調(diào)系統(tǒng)的能效比、降（升）溫速率和降（升）溫幅度要達(dá)到指標(biāo)要求。因而在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，分別選取能效比、降（升）溫速率和降（升）溫幅度為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化方法。同時(shí)考慮滿足冷凝器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、面積范圍、迎面風(fēng)速范圍、系統(tǒng)溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內(nèi)機(jī)數(shù)量等約束條件的要求，利用優(yōu)化方法進(jìn)行對上述目標(biāo)多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，從而達(dá)到針對不同地域的地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

 

  四、地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與布設(shè)

 

  土壤熱交換器是地源泵機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。下面就豎直埋管換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單的探討。

 

  1.豎直埋管材料和深度

 

  埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據(jù)當(dāng)?shù)?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/地質(zhì)條件.html" >地質(zhì)條件而定，可以從20m-200m.確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。如果地表土壤層很厚，鉆孔費(fèi)用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，反之，采用淺埋。埋管間距一般以5-6米及以上，要綜合考慮當(dāng)?shù)氐?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/地質(zhì).html" >地質(zhì)及土壤的傳熱情況。

 

  2.豎直埋管換熱器回填、靈敏度

 

  豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)深度，將制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工。

 

  3豎直埋管換熱器中傳熱的衰減

 

  豎直埋管換熱器中流動(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。對于簽埋管尤其嚴(yán)重。設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度。同時(shí)，由于埋管換熱器的表面結(jié)垢等影響，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮衰減。設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。

 

  五、結(jié)論

 

  對地源熱泵戶式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題，系統(tǒng)選擇、熱泵和土壤熱交換器進(jìn)行了討論，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行控制技術(shù)進(jìn)行了分析。