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闭环地源热泵系统模型与仿真
1．前言
由于地源热泵地下换热的影响因素多、设计难度大，基础数据不足，某些参数的选择不当会造成工程造价难以接受，限制了该项技术，所以直到上个世纪80年代后期才在商业、民用建筑的空调系统中采用。最近几年，大量报道反映了国外进行的工作和取得的成果[1]。
由于它的环保和节能特点，地源热泵空调系统在国内正在受到越来越多的关注，特别是近几年，国内开始有了地源热泵空调系统的实际工程。因此，地源热泵的设计细节、及其与传统建筑系统匹配的资料很少，对地源热泵工程实例的调研和经验总结是国际上地源热泵研究的一个重要方面。
在地源热泵系统中，地热换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是也是该项技术研究的核心和应用的基础。现有的地热换热器设计方法大都基于美国和欧洲对地热换热器的试验研究。国内有关地源热泵的研究重点均放在地热换热器的试验研究上，也分别给出了相关的实验结果。由于缺乏对换热器在土壤中复杂的传热机理的深入研究，使得所得结论只适用于某一具体实验系统，理论性较差，提供的基础数据又较少，因而难于指导实际的工程设计。因此，目前研究的内容之一是建立更接近于实际情况的地热换热器传热模型。
众所周知，地源热泵系统的特性主要由两部分决定：一是地热换热器的长度和配置，二是与之相匹配的热泵机组的性能。因此在地热换热器配置已定的情况下，地源热泵系统的性能如何是目前工程中最关心的问题。所以本文的另一个研究内容是建立地热换热器与热泵机组的动态模型，并通过试验验证模型的准确性。
2. 地热换热器模型综述
根据布置形式的不同，闭环地热换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。竖直埋管地热换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地热换热器，通常采用U型埋管的形式。U型埋管地热换热器也就是一个钻孔中布置U型管，再加上回填材料，与周围土壤构成一个整体。一个钻孔中可以设置单组U型管，也可以设置两组U型管。竖直埋管占地面积小，传热效率高，在工程中得到了广泛的应用，本文主要以工程中应用最广的单U型管为例，详见图1。

由于地热换热器所涉及的传热过程的复杂性，地热换热器的传热模型仍是国内外闭环地源热泵系统研究工作的重点。有关地热换热器的传热，迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。国际上现有的传热模型大体上可分为两大类。第一类是以热阻概念为基础的解析解模型，第二类方法以离散化数值计算为基础的数值解模型。第一类模型采用Kelvin的线热源模型或无限长圆柱模型[2]。这类半经验方法概念简单明了，容易为工程技术人员接受，因此在工程中得到一定的应用。其缺点是各热阻项的计算做了大量简化假定[3]，模型过于简单，能够考虑的因素有限，特别是难于考虑冷、热负荷随时间的变化、全年中冷热负荷的转换和不平衡等较复杂的因素。第二类方法以离散化数值计算为基础的传热模型，可以考虑接近现实的情况，采用有限元或有限差分法求解地下的温度响应并进行传热分析。但是由于地热换热器传热问题涉及的空间范围大、几何配置复杂，同时负荷随时间变化，时间跨度长达十年以上，因此若用这种分析方法按三维非稳态问题求解实际工程问题将耗费大量的计算机时间，在当前的计算条件下直接求解工程问题几乎是不可能的。这种方法在目前还只适合于在一定的简化条件下进行研究工作中的参数分析，而不适合于做大型的多钻孔的地热换热器的传热模拟，更不适合用作工程设计和优化。

3. 竖直单U型管地热换热器模型的建立
3.1 钻孔内准三维模型的建立
在研究地源热泵系统性能时，由于时间跨度比较小，因此钻孔内回填材料热物性、钻孔几何尺寸等都对地源热泵系统的性能有重要影响。以往的一维模型和二维模型中，由于对钻孔内结构进行了简化，即将两根U型管简化为一根，并假定U型管内流体温度为定值，无法得到钻孔内流体温度随钻孔深度的变化以及两根U型管之间引起的热短路情况。因此模型与实际情况有一定的差别，导致模型预测误差较大。
课题组近年来在地热换热器传热模型方面进行了一些有创新性的研究：在二维模型[4]的基础上，流体温度在深度方向的变化以及轴向的对流换热量必须予以考虑。为保持模型的简明，钻孔内固体部分的轴向导热仍忽略不计，我们把建立的此模型称为准三维模型。对于单U型管的钻孔的热平衡分析，根据流体在U型管中向下和向上流动过程中的能量平衡方程式求解得到U型管内流体温度无量纲形式的解为[5，6]：

其中,  ,  ， ， ，c为流体的比热，M为U型管内流体的质量流率，R11为U型管至钻孔壁的热阻[5]，R12为两根U型管之间的热阻[5]，Tb为钻孔壁温，H为钻孔深度，为流体入口温度。
3.2 钻孔外瞬变温度场分析
埋有管子并与土壤进行着热交换的钻孔，通常可以被近似地看作是置于半无限大介质中的线热源而进行传热分析，以确定钻孔壁的温度。国外正式推荐的计算钻孔外热阻的模型主要是无限长线热源模型[2,3]，也即一维模型，它忽略了钻孔有限深度和地表面作为边界的影响，在处理长时间的传热问题时会造成较大的误差。我们利用格林函数法首次求得了半无限大介质中有限长线热源的温度响应，解决了求解精度和计算时间的矛盾。利用格林函数法可导得半无限大介质中的温度响应为[7]：
　　　　(2)
其中 ， ， ， ， 。
4. 水-水地源热泵机组模型
国外热泵机组模型多数是基于厂家提供的产品样本中的数据而建立的。在国内，多数样本只提供了额定工况时的性能参数，少数产品即使提供了运行工况的性能参数，所给出的数据可靠性也难以保证。所以，完全根据样本数据建立模型的方法无法实现。国内对于热泵机组的研究多采用部件模型法，即分别对各个部件建立模型，机组模型则由各部件模型通过适当的接口参数连接而成。
水-水热泵机组主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个部件组成。因此本文采用分布参数法建立了套管式冷凝器和蒸发器的模型，采用集中参数法建立了压缩机和热力膨胀阀的模型,然后通过一定的迭代关系式将各个部件联系起来。在猜测一组初值后，从最内层循环开始计算，其它变量根据这些假定值算得。如果收敛条件不满足，假定值被修改后的新值取代。由此，完成由内到外各层的循环计算。
热泵机组的控制方法有多种，目前应用最多的方法仍然为控制过热度。本文主要研究控制过热度为主的热泵机组的模拟算法。机组模拟的目的就是在设定变量初值后，通过不断的迭代和改变变量的设定值，在保证一定误差的前提下，确定机组的实际运行工况。稳态的热泵机组模拟主要由三重迭代过程组成，其主要步骤如下：
（1） 设定蒸发器出口制冷剂的过热度△ts。
（2） 输入已知量，包括蒸发器、冷凝器的结构参数，制冷剂充注量及工况参数。
（3） 设定蒸发温度Te、冷凝温度Tc和蒸发器入口制冷剂干度x的初值。
（4） 调用压缩机模型，计算制冷剂质量流量及压缩机入口状态点1的参数。
（5） 调用蒸发器模型，计算蒸发器的传热面积Ae,并与蒸发器的实际传热面积Aeo比较，若 >ε，转到3）重新设定蒸发温度 ，直到满足 为止。这是第一重循环。
（6） 调用膨胀阀模型，计算压缩机出口状态点2、冷凝器出口状态点3、膨胀阀出口状态点4点的状态参数。
（7） 调用冷凝器模型，计算冷凝器的传热面积Ac,并与冷凝器的实际传热面积Aco比较，若 >ε，转到3）重新设定冷凝温度 ，直到满足 为止。这是第二重循环。
（8） 计算整个系统内制冷剂的质量M，其中 。如果 >ε，则转到3），重新设定蒸发器入口制冷剂干度x，直到满足 为止。这是第三重循环。
（9） 计算机组的各项性能参数，如性能系数、压缩机功率、制冷量等，输出各参数。
对热泵机组模型，在机组结构参数已知的情况下，只要输入冷却水和冷冻水的进口温度和流量即可模拟出冷却水和冷冻水的出口温度及机组各项性能参数。
5. 地源热泵系统模型
地源热泵系统包括三个环路，即地下防冻液或水环路、热泵机组内制冷剂环路和用户侧水环路，因此系统模型是由地热换热器模型、热泵机组模型和用户负荷模型通过质量守衡和能量守衡关系式连接而成。
在地热换热器长度和配置一定的情况下，地源热泵系统性能模拟步骤如下：
（1）输入已知参数，这些参数包括
•        地热换热器结构参数，地热换热器长度、地下岩土及塑料埋管的热物性；
•        热泵机组内压缩机、冷凝器、蒸发器、及膨胀阀的结构参数；
•        冷却水的初始进口温度Tf0、流量Mex、Cpx比热；
•        冷冻水的初始进口温度Tw0、流量Me、CP比热；
•        任一时刻的室内冷负荷。
（2）调用热泵机组模型，计算初始时刻机组的制冷量、放热量、冷冻水及冷却水的出口温度。
（3）以热泵机组的热流作为地热换热器的已知变量，调用地热换热器模型，计算出第一时刻地热换热器流体出口温度Tfou。
（4）调用室内负荷模型，计算出第一时刻的冷负荷。
（5）以初始时刻机组冷冻水的出口温度作为已知变量，调用用户侧水环路模型，求出该时刻冷冻水回水温度Tw2。
（6）以第一时刻计算出的冷冻水温度Tw2、Tfou 作为已知变量，调用热泵机组模型，计算该时刻机组的制冷量、放热量、机组性能系数,冷冻水温度Tw2、Tfou等。
（7）以（6）计算出的冷冻水温度Tw2、Tfou作为已知变量，然后转到（2），计算下一时刻机组的各项性能参数，直到达到总的模拟时间。
6. 系统模型验证
为了验证系统模型的有效性，对地源热泵试验系统的水温、水量及制冷剂的温度进行了测定，同时根据系统模拟软件，利用测定的水量及用户的回水温度作为已知参数，对地源热泵系统进行了模拟。结果表明，模拟的冷冻水温度与实测结果非常吻合，实测温度与模拟值最大误差为0.5℃；地热换热器出口温度实测值与模拟值在运行开始时误差较大，在运行约3个小时后，误差逐渐减小，最大误差不超过为0.5℃，这主要是由于地热换热器将钻孔内传热近似为稳定传热造成的；压缩机功率模拟的相对误差在运行过程中均不超过5%。

地源热泵——供暖空调的绿色技术
近年来随着资源和环境的问题日益严重，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理利用自然资源，保护环境，减少常规能源消耗，已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。地源热泵空调系统通过吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷热量，冬季从大地吸收热量，夏季从大地吸收冷量，再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。
在中国，煤作为主要能源, 煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2001年的68.6%和65.3%上升为70.7%和66.1%【1】。特别在冬季,在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源,只有减少城市地区煤的使用,城市大气污染问题是才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量,选用电采暖、燃油或者燃气采暖等措施,但都存在运行费用高、资源不足和排放CO2这些问题。受能源、特别是一次性能源与环保条件的限制,传统的燃油、燃煤中央空调方式将逐步受到制约。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。
地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。
地源热泵（ground source heat pumps, GSHP）系统包括三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献成为地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems, GCHPs）或者叫地下热交换器热泵系统（ground heat exchanger, GHPs）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统（ground water heat pumps, GWHPs）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统（surface-water heat pumps, SWHPs）。
1.地源热泵的工作原理
系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。
在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。
系统实际上是指通过将传统的空调器的冷凝器或蒸发器延伸至地下，使其与浅层岩土或地下水进行热交换，或是通过中间介质（如防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流动，从而实现利用低温位浅层地能对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源利用技术。该技术可以充分发挥浅层地表得储能储热作用，达到环保、节能双重功效，而被誉为“21世纪最有效的空调技术”。

2.地源热泵的发展历史
地源热泵的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中。开放式地下水热泵系统在20世纪30年代被成功应用。20世纪50年代欧洲和美国掀起了研究地源热泵（GSHP）的第一次高潮，美国爱迪生电子学院最早研究闭式环路热泵系统，印地安纳洲的印地安纳波利斯是最早安装闭式环路地源热泵系统的。直到20世纪70年代，世界石油危机使得人们关注节能、高效用能，地源热泵的研究进入了又一次高潮，这时瑞典的研究人员开始将塑料管应用在闭式环路地源热泵系统上，地源热泵的推广应用迅速展开。
经过近50年的发展地源热泵技术在北美和欧洲已非常成熟，是一种被广泛采用的热泵空调系统。针对地源热泵机组、地热换热器，系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%，是美国政府极力推广的节能环保技术。到1997年底，美国有超过3万台GSHP系统在家庭、学校和商业建筑中应用，每年约提供8000～11000GWh的终端能量，另据地源热泵协会统计，美国有600多所学校安装有GSHP。目前美国地源热泵的销售数量以每年20%的速度递增，2000年全美销售数量达40万台【2】～【3】。
在实际工程应用中，北美对地源热泵应用偏重于全年冷热联供，采用闭式水环热泵系统（WLHP）；欧洲国家偏重于冬季供暖，往往采用热泵站方式集中供热供冷。我国气候条件与美国比较相似，所以北美的方式对我国更具借鉴意义。
在我国，地源热泵的研究起始于20世纪80年代，最近5年该项技术成了国内建筑节能及暖通界热门的研究课题，也开始应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起了一股"地热空调"的热潮。在研究领域，过去几年里国内许多大学先后建立了地源热泵实验台，进行了地下埋管换热器与地面热泵设备联合运行的实验。研究工作主要集中在以下几个方面：
（1）地下埋管换热器的传热模型和传热研究；
（2）夏季瞬态工况数值模拟的研究；
（3）热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究；
（4）地源热泵空调系统制冷工质替代研究；
（5）其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究；
（6）地源热泵系统的设计和施工；
（7）地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究；
（8）地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究；
（9）土壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。
随着研究的深入，我们的地源热泵研究工作者在全国范围内举行了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了“全国余热制冷与热泵技术学术会议”；1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”【4】；中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题；2000年6月19～23日，中美地源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了地源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广；山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“国际地源热泵新技术报告会”于2003年3月17日在山东建筑工程学院举行，加强了国内外地源热泵先进技术的交流。在工程应用方面，1996年至2000年间在山东、河南、北京、辽宁、河北、江苏、上海等地建成了地源热泵工程，发展速度很快，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解。
3.地源热泵系统形式
3.1 土壤热交换器地源热泵
土壤热交换器地源热泵（图2.（a）， （b））是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器(geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1～2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。

垂直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1～0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40～200m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时，系统中需加入防冻液，北方地区应用时应特别注意。
3.2 地下水地源热泵
地下水源热泵（图2.（c））的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，之后将井水回灌地下，这样的系统称为开式系统。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式，但必须谨慎的使用。
实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行，根据温度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高，COP值一般在3～4.5，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。
无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。
3.3 地表水地源热泵
地表水地源热泵系统（图2.（d））由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。
地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。但水质较差时在换热器中会产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。
在实际工程中，有大量的应用特性可以帮助我们决定以上系统中的哪一种形式最适宜选择。其中包括可用地下水含量、可用地表水面积、现场土地面积、潜在热回收能力、建筑物高度和规模、机房面积和当地规划要求等。

4.地源热泵系统的优点
地源热泵与常规空调技术相比有着无可比拟的优势。
表1 地源热泵与常规空调技术特点比较(1万平方建筑，负荷为100瓦/平方)
项目        地源热泵中央空调        溴化锂吸收式直燃机组        水冷机组+燃油(气)热水锅炉        水冷机组+电热锅炉
占地面积        机房占地面积小可设在地下室        机房占用建筑面积，冷却塔占用屋顶面积储油设备需要占地面积        须冷冻站和锅炉房，冷却塔占用屋顶面积，储油设备需要占地面积        须冷冻站和锅炉房，冷却塔占用屋顶面积需要较大的电负荷
设备寿命        20年        10年        冷水机组20年燃油锅炉10年        冷水机组20年，电锅炉15年
水资源消耗量        只利用地下水的热量采用回灌技术，不消耗水资源        冷却水循环量的2%冬季供热的排污补水        冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水        冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水
驱动能源方式        电能能源利用系数为3.8-4.5        燃油或燃气能源利用系数80%        夏季：电能利用系数为3.5-3.8冬季燃油或燃气80%        夏季：电能利用系数为3.5-3.8冬季90%
环境保护        无燃烧污染，水资源不和制冷剂接触，水没有污染        有燃烧污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷却塔)        有燃烧污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷却塔)        无燃烧污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染（冷却塔）
备注        需要一定量的水资源        机房需要设置自动安全报警系统        需要设置两套机组和人员，运行维护复杂锅炉房需要设置自动安全报警装置        需要设置两套机组和人员，运行维护复杂
它具有以下一些优点：
（1）属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400m深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以成为之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳所散发的到地球上的能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层并类似于一种无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。
（2）属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵冷、热源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，低能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。
（3）运行稳定可靠
正是由于地层温度一年四季相对稳定，其温度的范围远远小于空气的波动，是很好的冷热源；同时由于温度的恒定性，使得系统运行更加可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
（4）环境效益显著
地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟；也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，可以极大地改善其它空调方式的CO2 的排放。
（5）舒适程度高
由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。
（6）一机多用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。
（7）自动运行
地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，可无人值守；此外，机组使用寿命长，均在20年以上。
5.地源热泵空调系统的经济性分析
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。如上所述，地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40～60％。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。
地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。地下耦合热泵系统地下埋管的初投资较高，但根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3～7年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。
表2 地源热泵与常规空调投资及运行费用比较
冷热源方式及序号
项目         1        2        3        4
        地源热泵        冷水机组与燃气锅炉配套        冷水机组与城市热网配套        直燃式溴化锂冷热水机组
冷热水机组（元/kw•冷量）        600～800        560～700        560～700        950～1300
燃气锅炉（元/kW•热量）        　        400～520        　        　
热网（元/m2采暖面积）        　        　        100        　
冷却塔（元/kW•冷量）        无        40～60
地下钻孔及埋管（元/kW）        800～1400        无
机房水泵、管道、控制等        基本相同(20～40元/m2)
建筑物空调末端        基本相同（100～160元/m2）
初投资概算比较 (冷指标100W/m2)
初投资（元/m2空调面积）        340        280        330        280
运行费用比较 (热指标100W/m2)
季节        夏季        冬季        夏季        冬季        夏季        冬季        冬、夏两季
能源形式        电        电        天然气        电        供热网        天然气        轻柴油
单位        kW•h        kW•h        m3        kW•h        m2•季        m3        升
价格（元）        0.5        0.5        2.0        0.5        19.5        2.0        3.0
热值        1000W         1000W        35600kW        1000W        　        35600kW        43000kW
效率        4.8        3.5        3.8        0.88        3.8        　        0.88        0.85
燃料耗量        /m2•h        0.021        0.029        0.0263        0.0115        0.0263        　        0.0115        0.01
        /m2•季        13.23        28.02        16.57        11.27        16.57        　        18.52        16.1
燃料费用（元/m2•季）        6.6        14        8.29        22.54        8.29        19.5        37.04        48.3
机房运行费用（元/m2•季）        4.5元/m2•两季
冷却塔运行费用        无        2元/m2.季
全年运行费合计（元/m2）        25.1        37.33        34.29        43.54        54.8
费用比例        1        1.49        1.37        1.73        2.18

6.制约地源热泵发展的因素
影响地源热泵广泛应用的主要原因是对地源热泵发展核心技术问题的研究和认识还很有限。据国际最新研究动态表明，它的核心技术问题是地埋式换热器的传热强化、地源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究。另一个主要原因是地源热泵自身存在的缺点：地埋换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小，使地埋换热器的面积较大等。
研究地源热泵还存在以下几个有待解决的问题：关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；由于它涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。
我国有关地源热泵的现成技术资料不多，缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家少，也是影响地源热泵在我国推广发展的主要因素之一。
7.结束语
1998年美国环保署颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得州宅邸中也安装了地源热泵空调系统【5】，以支持并鼓励这种新能源技术的发展。
我国成功申办2008奥运会，提出了“科技奥运、人文奥运、绿色奥运”的承诺，并在申奥报告中明确地写着要发展地源热泵技术以及其它绿色技术，实现对绿色能源地利用，从而实现“新奥运，新北京”。
地源热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到更为深入的研究，探索其关键性技术。目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范,其推广应用还有待时日。但地源热泵技术在中国就像一个新事物必须经历挫折和教训一样逐渐地发展。作为一门新技术，它为我们的国家的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，在中国一定有广阔的市场前景。

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蓄冰技术与水源热泵的结合
冰蓄冷和水源热泵技术均起源于欧美等发达国家，冰蓄冷技术主要为了平衡电网的昼夜峰谷差，在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。我国从20世纪90年代开始推广这项技术，目前已有一些建成的工程项目。由于电力部分实行了电力峰谷差价，使得用户可以得到一定的运行费用省。由于我国电网峰谷差日益加大，在华北地区的峰谷差已达到40%，并有进一步加大的趋势，因而使电力负荷侧的管理难度也日益加大。近年来，每逢七月下旬和八月上旬的夏季高温时节，这一情况就尤为突出，为了解决这一难题，大力推广蓄冰技术势在必行。
水源热泵技术是可再生能源的开发和利用技术，可以将低位能源搬运到高位能源的技术，它可以大量利用自然界可再生的能源，如地下水、地热水、土壤、江河湖水、工业废水等其中储存的大量低位的能源，通过少量的电能，将其转化成高位的能源供我们使用，其能效转化比可达到4:1，即消耗1KW的电能可以得到4KW的热量，其中另外3KW的热量来自免费的能源。采用水源热泵技术，可以大幅度降低用户的能源使用费用，同时也大量取代燃煤锅炉，解决了环保的压力。
在过去的几十年里，这两项技术得到了蓬勃地发展，在欧美等国家得以广泛地应用，在我国近年来也发展迅速，方兴未艾。
但是，这两种相对独立的技术都具有一定的局限性，冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节，可起到削峰填谷的效益。但冰蓄冷技术无法提供冬季的采暖，对于具有采暖需求的用户来讲，该项技术就显得无能为力。同样，水源热泵技术虽然可以同时提供冬季采暖和夏季制冷，但却无法在夜间电力低谷时段蓄得冷量，以起到削峰填谷的功效。
对于普通的建筑物，尤其是大型商业建筑，其制冷负荷往往大于采暖负荷，而这两项技术的结合，即可利用水源热泵技术同时满足制冷和采暖的需求，又可采用蓄冰技术进行电网的削峰填谷。即使用户使用到了廉价的采暖方式，又解决了污染问题，还为电网的昼夜平衡作出了贡献，可谓一举多得。
在汲取了国外大量先进技术的同时，我国第一个水源热泵与蓄冰技术相结合的工程----天创世缘已经于2002年9月在北京顺利完工。天创世缘的成功，标志着这两项技术已经可以成功地嫁接在一起，是国内首项联合运行系统，为首都的蓝天工程、华北电网负荷侧的管理起到了重要的示范意义。
天创世缘北京市朝阳区大屯路，总建筑面积170,000 m2，其中建筑物底商为大型商业设施，空调面积为40,000 m2，需安装中央空调系统，以满足夏季制冷和冬季采暖的要求，采用水源热泵及蓄冰技术后，即可达到上述要求，又可使得整个空调系统做到最大限度地节约能源和运行费用。
天创世缘夏季空调最大设计冷负荷为6050KW，冬季空调最大设计热负荷为4000KW。系统首先考虑采用开采地下含水层中的恒温的地下水在夏季来冷却水水热泵机组的冷凝端，再通过水水热泵机组进行制冷。同时，冬季可利用地下含水层中的恒温的地下水提供低位热源，再由水水热泵设备提升至高位能源进行采暖使用。冬季由于采用了大量的地下水中的免费的能源，使得运行成本得到大大降低。
另外，根据天创世缘夏季制冷负荷情况的特点，夏季制冷负荷比较冬季采暖负荷大得多，因此如单纯采用水水热泵系统，会使得所需的地下水用量较大，需开采水源井11口，5抽7回灌，因此受到具体钻井条件的限制。考虑到天创世缘大厦的商业的性质，在后夜电力低谷时段不需要空调，因此考虑蓄冰式空调方案，该系统利用夜间低谷电力蓄冷，日间电力高峰时段由所需得的冷量与水水热泵机组联合运行，向空调末端提供冷量。使得地下水在全日内得到平均的分配使用，因而只需钻凿水源井7口，3抽4灌，大大节约钻凿水源井量。同时，由于大量使用了后夜低谷电，代替了日间电力高峰时段的用电量，所以夏季运行费用也得到了大大降低。
该项技术充分利用了地下水恒定的、可再生的能源，并通过电力这一清洁能源，实现了冬季采暖、夏季制冷的两项功能。被利用能量后的井水完全回灌回地下，对井水无污染、无浪费。整个水源热泵及蓄冰空调系统冬季最大用电量为1407KW，可满足冬季采暖的需求；夏季日间最大用电量为1125KW，夜间最大用电量为815KW。日间蓄冰系统启用，满足日间空调的需求，整个系统削峰填谷效果明显。
夏季建筑物24小时负荷曲线如下：

六台水源热泵机组联合运行，用地下水所提供的免费的自然可再生能源，提取其热量，供应给整个大楼进行采暖，六台机组总供热量为4200kw。
根据方案设计，选用六台水水热泵机组，共需15℃的地下水330m3/h，夏季作为冷却水源，地下水最大供回灌温度为15—26.3℃；冬季作为低位热源，地下水供回灌温度为15—7.2℃。故需打出水井3口，回灌水井4口，总出水量为330m3/h。
该系统总体投资1013万元，比常规制冷系统相比较，增加了约56万的投资，共打井7口，并可满足冬夏的需求。以下是投资比较表：
蓄冰及水源热泵系统主要设备及打井投资表
设 备        型号        生产厂家        数量        耗电量（KW）        单价 （万）        总价 （万）
三工况主机        LWP1800        法国CIAT        6        175*6        ￥55.0/台        ￥330.0
蓄冷球        STL-AC00        法国CIAT        330 m3        -        ￥0.6/ m3        ￥198.0
蓄冷槽        STL-AC        国内制造        1        -        ￥60.0/台        ￥60.0
冷冻泵                 广州一泵        4        37×3        ￥1.5/台        ￥6.0
负载泵                 广州一泵        4        45×3        ￥2.0/台        ￥8.0
板式换热器                 ALFA-LAVAL        2                 ￥40.5/台        ￥81.0
自控系统                 德国SIEMENS        1                 ￥40.0/套        ￥40.0
乙烯乙二醇        100%        国内生产        30吨        -        ￥0.7/吨        ￥14.0
打井费（含井泵）                          7        37×3        ￥18.0/口        ￥126.0
系统安装费                                            ￥150.0        ￥150.0
总计                                   1250                 ￥1013.0
注：1、主要设备全部采用合资或进口产品。
　　2、水泵设置为一台水泵对应两台主机，并设有一台备用泵。
常规空调系统投资表
设备        主要技术参数        数量        总耗电量 （KW）        总价（万）
离心制冷机        制冷量：450 RT        4        320×4        ￥400
末端水泵        流量：300m3/h 扬程：25m        5        37×4        ￥7.5
冷却水泵        流量：350m3/h 扬程：22m        5        45×4        ￥10.0
自控系统                 1                 ￥40.0
冷却水塔        350m3/h        4        11×4        ￥60.0
安装冷却水塔建筑改造费                                   ￥100.0
系统安装费                                   ￥100.0
总计                          1652        ￥717.5
注：1、常规系统主要设备全部选用合资或国产设备。
　　2、由于冷却水塔扰民的问题，无法放置在裙楼顶部，故需对原有的建筑进行改造，以放置冷却水塔，经业主方审核，其对建筑的改造费用约为100万元。
　　3、水泵为四用一备。
常规系统与水水热泵+蓄冰系统总体投资(机房主要设备和机房电力报装)比较:
两种系统投资比较表 (万元)
        常规系统        水水热泵+蓄冰系统
空调设备        ￥717.0        ￥1013
电力贴费        （2000KVA）￥240.0        （1500KVA）可减免
总投资        ￥957.0        ￥1013
                  
注：1、采用蓄能系统可减小电力设备容量，包括变压器、配电柜等，其费用未作统计。
　　2、由于本工程电力贴费在建设时期已经向供电局交纳，采用蓄冰系统后，经电力部门审核，已批准将电力贴费退还给业主，以资鼓励。
　　3、在建设初期，如考虑采用此方案，还可以减少市政热力的投资。
夏季，由于北京地区电网采用了峰谷电价政策，高峰电价与低谷电价已达到4.3：1。因此，采用冰蓄冷系统，可以大大降低空调系统经常运行费用。
现阶段，峰谷分时电价如下表：
        起始时间        电价（元）
高峰段        8：00～11：0018：00～23：00        0.995
平段        7：00～8：0011：00～18：00        0.633
低谷段        23：00～7：00        0.230
将常规系统与蓄冰系统全年运行费用相比较，以100％负荷、80％负荷、60％负荷、40％负荷为基数，进行分析比较：可得全年运行电费比较柱状图及运行电费表。

常规系统与蓄冰系统机房年运行电费比较
        天数        常规系统 (万元)        蓄冰系统 (万元)
100%负荷        10        16.0        13.0
80%负荷        60        75.0        56.0
60%负荷        40        36.0        28.0
40%负荷        40        25.0        15.0
总计        150        152.0        112.0
冰蓄冷系统年经常运行费用可以比常规水水热泵系统节约40万元。
冬季，水源热泵运行费用与常规市政热力进行比较，以冬季运行120天，每天运行12小时计算，市政热力费用为60元/㎡（商场的层高均超过4米）,则整个冬季运行费用为240万元，与水源热泵系统相比较，水水热泵系统冬季运行费用可分三个阶段分别进行计算，首先为初寒期和末寒期，约为40天，每天运行12个小时，负荷系数为0.6，则运行费用约为32万元；然后为中寒期，约为60天，每天运行12个小时，负荷系数为0.8，则运行费用约为65万元；最后为严寒期，约为20天，每天运行12个小时，负荷系数为0.95，则运行费用约为25万元；故整个冬季水源热泵运行费用为122万元。比常规市政热力系统节约118万元。
本水源热泵加蓄冰系统与常规电制冷加热力供暖系统相比，年运行费用可节约158万元。 虽然初次投资略有增加，但投资增加部分很快可以回收。
本工程得到电力部门的支持，退还电力贴费240万元，故实际工程总投资仅增加56万元。如果不考虑此项费用，实际投资需增加296万元。但是，年节约运行费158万元，仅需两年即可回收增加的初投资。
目前，北京地区正处于经济高速发展阶段，环境保护问题尤为严重，消除燃煤锅炉污染的工作任重道远。采用水源热泵技术，是解决冬季清洁供暖的重要措施。水源热泵技术的基本原理可以理解为将夏季的热能储存在地下，供冬季使用；将冬季的“冷”能储存在地下供夏季使用。是一种“季节储能”系统。
冰蓄冷技术是一种“日储能”系统。它可以转移大量的日间高峰电力到夜间低谷时段使用，充分利用电网的日夜电差价，因而是用户的最佳选择。如普及结合水源热泵和蓄冰空调技术到北京市的商业建筑上，将对华北地区整个电网的结构性调整将起到重要作用；同时可取代大量的燃煤锅炉，对北京地区的环境治理也将起到重要作用。因此，水源热泵技术与蓄冰技术的结合必然具有广阔的经济前景和重大的社会效益。

谈地源热泵空调设计
1 概述
地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。因此，目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注，希望尽快应用这项新技术。现在尚未见到有关地源热泵技术设计手册供设计人员使用，但又不能等待设计手册出版后才使用地源热泵技术。笔者从实践角度对中小型地源热泵空调工程设计程序进行深讨，供同行讨论。
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将着重探讨有关地下换热器的问题。
2 地源热泵地下换热器的形式
众所周知，热泵机组的热源有空气源、水源、土壤源等。
土壤源热泵空调也叫地源热泵空调，就是在地下埋设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。
土壤源热泵换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
3 竖直埋管换热器型式
最常用的竖直埋管换热器就是由垂直埋入地下的U型管连接组成。
3.1 竖直埋管深度
竖直埋管可深可浅，须根据当地地质条件而定，如20m、30m ……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。例如天津地区地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。
3.2 竖直埋管材料
埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择，如DN20、DN25、DN32等。
3.3 竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。
根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。
4 竖直埋管换热器中循环水温度的设定
竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，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，当建筑物得热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，当建筑物失热最多时，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。笔者认为埋管水温应如下设定：
4.1 热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应 <37℃，与冷却塔进水温度相同。
4.2 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，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。
我们知道风机盘管供热能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以风机盘管的选型是以夏季冷负荷选型、冬季热负荷校核。采用地源热泵空调冬季供热时，可根据冬季热负荷实际情况，让风机盘管冬季也满负荷运行而反算出供热水温度，此温度要小于常规空调60℃的供水温度（大约供水为40℃左右）。将此温度定为热泵机组冬季供水温度。供回水温差取7～10℃。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至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。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。

5 换热面积与综合传热系数
5.1 换热面积
一般换热器换热面积计算公式为：
……………………⑴
式中 ：
Q—换热器换热量 w；
K—传热系数 w/m•℃；
ΔT—对数温差 ℃。
5.2 综合传热系数
地埋管换热器用以上公式计算很不方便，因为很难确定其换热面积。
竖直埋管换热器可以假设为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算，则较为简单、方便。
这里，将以某一流经地埋管换热器内的流体介质与大地初始温度每相差1℃，通过单位长度换热管，单位时间所传递的热量定义为综合传热系数K。
……………………⑵
式中：
K—综合传热系数 w/m℃；
Q—换热器单位时间换热量，Q=C m(t进-t出) W；
L—换热管有效长度 m；
TP—流体介质平均温度，  ℃；
T进—U型管换热器进水温度 ℃；
T出—U型管换热器出水温度 ℃；
C —水比热4.180KJ/Kg•k；
m —水的质量流量 kg/s；
Td —地温 ℃。
地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
影响竖直埋管综合传热系数的因素有：地理位置、地质构造、埋管深度、埋管材料及管径、钻孔直径及回填材料、管中水的流速、热泵运行方式（连续运转还是间断运转）。
综合传热系数k可通过测井测得。由公式⑵可以看出，做一个地面钻孔与预计工程应用完全相同的U型竖直埋管，人为制作冷、热源，通入冷、热水，测出各个参数带入公式⑵即可计算出综合传热系数。
测井也可测出U型竖埋管出水温度T出 。
综合传热系数K在系统运行初期波动值较大，系统运行一段时间后其值趋于一稳定值。我们通过实测K值波动在一个较小的范围内，在目前数据资料较少情况下可取波动平均值作为计算数据误差不会太大。

6 竖直埋管地源热泵空调的设计
6.1 确定设计参数与热泵机组
6.1 .1 计算建筑物空调夏季冷负荷及冬季热负荷。
6.1.2 确定夏季冷水的供回水温度及地埋管进出水温度，进而确定机组中工质的夏季蒸发温度及冷凝温
度。
6.1.3 计算冬季风机盘管的供水温度，取回水温度比供水温度低7～12℃。设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。
6.1.4 由建筑物空调夏季冷负荷、机组蒸发温度和冷凝温度,以及冬季热负荷和冬季机组蒸发温度和冷凝
温度，就可以进行热泵机组的选型设计，或将参数提供给生产厂家，由厂家制造热泵机组。
6.1.5 确定热泵机组型式（活塞机、螺杆机、蜗旋压缩机等），查出或计算出
该机组在夏季埋管水温最高时和冬季埋管水温最低时工况下的COP值。
6.2 计算夏季总放热量和冬季总吸热量
6.2.1 夏季竖直埋管换热器总放热量等于建筑总冷负荷加上埋管最高水温时机组消耗功率（机组消耗功率等于夏季冷负荷除以埋管最高水温时的COP值）。
6.2.2 冬季竖直埋管换热器总吸热量等于建筑物总热负荷减去埋管最低水温
时机组所消耗的功率（机组消耗功率等于冬季热负荷除以埋管最低水温时COP值）。
6.3 计算竖直埋管总长度
6.3.1 夏季竖直埋管总长度计算
①夏季换热温差DTx 8C
DTx=Tx-Td ……………………⑶
式中：
Tx ü 夏季竖直埋管内最高设计平均水温 8C；
Td ü 地温 8C。
②夏季每米竖直埋管散热量qx W/m
qx=Kx •DTx ……………………⑷
式中：
Kx ü 夏季综合传热系数 W/m8C。
③夏季竖直埋管换热器埋管总长度Lx m
……………………⑸
式中：
Q夏—建筑物夏季总冷负荷 W；
A—安全系数，取1.1-1.2。
6.3.2 冬季竖直埋管总长度计算
①冬季换热温差 DTD 8C
DTD=Td-TD ……………………⑹
式中:
TD ü 冬季竖直埋管内最低设计平均水温 8C。
②冬季每米竖直埋管散热量qD W/m
qD=KD •DTD ……………………⑺
式中：
KD ü 冬季综合传热系数 W/m8C。
③冬季竖直埋管换热器埋管总长度LD m
……………………⑻
式中：
Q冬—建筑物冬季总热负荷 W；
A—安全系数 取1.1-1.2。
6.3.3 确定竖直埋管换热器埋管总长度
以上计算取LX、LD二者中较大数值为本工程埋管总长度L m。

6.4 计算竖直埋管数量并确定布置形式
6.4.1 竖直埋管数量计算
……………………⑼
式中:
n—U型竖直埋管个数；
H—竖直埋管设计有效深度 m；
L—埋管总长度 m。
6.4.2 竖直埋管布置形式
结合工程场地可一字型布置、L型布置或矩阵型布置均可，根据测试结果分析,U型竖直埋管间距以5—6m为宜。
6.5 确定竖直埋管水流速度与水泵选型
6.5.1 确定水流速
试验显示，竖直埋管中如提高水流速度则换热量可适当增加，但增加量不与流速提高量成比例。竖直埋管中水流应为紊流状态，流速太快会增加循环水泵能量消耗，流速取1m/s左右为宜。
6.5.2 确定水泵型号
流速确定后计算循环水流量及压力损失即可选择循环水泵的型号。
7 结论
7.1 地源热泵空调是节能、环保、对地下水无污染，并不影响地面沉降的好形式。特别是竖直埋管地源热泵更具有诸多优点，应予推广。
7.2 采用土壤钻孔的综合传热系数法，可简化地源热泵的传热计算。
7.3 竖直埋管地源热泵空调的设计步骤，为设计人员提供了一种设计方法，有利于提高设计速度，并减少设计失误。

地源热泵运行特性的影响因素研究
1 前言
与传统的空调冷热源相比，地源热泵在运行能耗和环境特性等方面具有更大的优越性。虽然受地下埋管内流体与土壤之间热交换速率的影响，需要布置较大的换热器面积和较高的投资成本，但地下土壤依然是一种较为理想的热泵低温热源和高温热汇。地源热泵冬季和夏季运行特性实验表明，即使作为尚须进一步优化的实验系统本身也可取得较理想的结果，地源热泵作为一种空调冷热源方式，无论在环境方面还是在运行能耗方面，都具有很大的发展潜力[1]。然而，就目前的现状而言，地源热泵还没有获得和空气源热泵一样的广泛应用，其原因，一方面可归结为地源热泵较高的投资成本和需要一定的场地要求，但可能更重要的原因是，迄今为止，还缺乏一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。
国内最近几年在地源热泵研究方面，主要是对特定的地源热泵试验系统的结果整理与分析，所得到的结论一般只适合于特定条件下的地源热泵系统。地源热泵的理论与实验研究结果表明，地源热泵系统的运行特性依赖于热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系。热泵机组容量大小、埋管长度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影响和制约着地源热泵的运行特性。
本文利用所建立的基于圆柱源理论的地源热泵运行特性模拟模型[2]对R22地源热泵系统的全年运行模拟结果进行了分析，探讨了不同土壤类型、不同回填材料、不同运行方式对地源热泵运行特性的影响，以期对我国的地源热泵的推广应用能有所裨益。
2 R22地源热泵的运行特性模拟
以河北工程学院地源热泵实验系统为模拟分析对象。地下埋管系统设有两眼埋管井，钻孔直径为150mm，钻孔深度120m，埋管换热器以水为循环介质，采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE）U型埋管换热器，直径为25mm。热泵机组采用全封闭涡旋式压缩机，制冷剂为R22，压缩机的理论输气量为21.0m3/h，ARI额定工况下的制冷量21.8kW，输入功率为6.54kW，电机转速为2900转/分。蒸发器、冷凝器均采用板式换热器，换热面积均为3.5m2。模拟分析时，设定当地的供暖期为每年的11月15日至第二年的3月15日，空调期为每年的6月1日~9月30日。
全年运行特性的模拟结果见表1，热泵冬季和夏季的启动工况性能见图1和图2。
表1 R22地源热泵系统全年运行模拟结果
冬季工况        夏季工况
平均每米管长吸热量 W/m        25.94        平均每米管长排热量 W/m        49.56
平均每米管长供热量 W/m        38.29        平均每米管制冷量 W/m        35.87
平均制热系数COPh        3.10        平均制冷系数COP        2.62
埋管平均出水温度 ℃        2.28        埋管平均出水温度 ℃        42.48
埋管换热器平均进水温度 ℃        0.13        埋管换热器平均进水温度 ℃        46.57
全年运行总能耗：36470 kWh

图1 R22热泵冬季启动工况 　图2 R22热泵夏季启动工况
通过对R22地源热泵系统运行特性的模拟，可以得出以下结论：
2.1 地源热泵系统在冬季和夏季运行时，热泵启动初期，埋管井壁温度、埋管换热器出水温度、热泵循环性能系数呈现出较快的变化趋势，运行约200小时后，热泵工况趋于稳定，这一结果与实验结果相吻合；
2.2 地源热泵经过一个冬季或者夏季运行后，在热泵停运的过渡季节，埋管井壁土壤温度可恢复到原始温度的水平。由于这一特性，在地源热泵的长期使用过程中，其循环特性并不会产生和初期使用时的显著差别；
2.3 实验研究已表明，由于埋管井土壤温度变化特性的影响，导致地源热泵冬季运行时，埋管换热器出水温度较低，而夏季埋管换热器出水温度则较高的现象。地源热泵的模拟结果同样证明了这一结论。如冬季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水温度为2.10℃、进水温度已达到0℃、制热系数为3.09；夏季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水温度为42.70℃、进水温度为46.80℃、制冷系数为2.60。
2.4 之所以出现上述特性，是因为埋管内循环流体与土壤之间的热量交换主要是通过导热方式进行的。在土壤特性一定的情况下，为与热泵机组的吸热量或排热量相匹配，必然要求埋管内循环流体与土壤之间应具有一定的传热温差，因而导致热泵机组冬季在较低的蒸发温度下运行，夏季则在较高的冷凝温度下运行。

3 不同土壤和不同回填材料地源热泵模拟结果
3.1 不同土壤地源热泵系统模拟
本文所研究的地源热泵实验系统，现场土壤属于重饱和潮湿性土壤，土壤的导热系数 ＝2.40W/m.k，土壤扩散系数 ＝0.003252m2/h，前节的模拟结果即是在上述土壤特性条件下进行的。现考虑一重土潮湿性土壤，根据文献[3]，该类型土壤的导热系数 ＝1.30W/m.k，土壤扩散系数 ＝0.0023m2/h，冬季和夏季的启动工况模拟结果对比见图3和图4，土壤导热系数 ＝1.30W/m.k时的季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为2.82和1.87。

图3冬季启动工况性能对比　 图4 夏季启动工况性能对比
不同土壤的运行模拟结果表明，土壤特性对地源热泵的运行性能有较大的影响，土壤导热系数降低以后，冬季吸热量、供热量、制热系数和埋管换热器进出水温度都有较大程度的降低；夏季排热量、制冷量降低，埋管换热器进出水温度和热泵输入功率有较大程度的升高，循环性能系数降低。
从全年的运行的角度看，土壤导热系数降低，在供热量和制冷量都降低的情况下，压缩机运行的总能耗增大。因此，总体来看，土壤导热系数大，有利于地源热泵的安全运行和节能效果的提高。地源热泵应用于不同地区时，应根据当地土壤特性，确定出适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系。
3.2 不同回填材料地源热泵系统模拟结果
在埋管井中充填不同的回填材料，对地下埋管换热器传热特性和地源热泵运行特性也有着不同程度的影响。本文的地源热泵实验系统采用细砂和粘土混合物作为回填材料，在土壤类型上也属于种重饱和潮湿性土壤，导热系数 ＝2.40kW/m.k。国外地源热泵的埋管井回填，通常采用灌浆的方法，一般采用水泥为基料的灌浆或以膨润土为基料的灌浆。为考察回填材料对地源热泵运行特性的影响，在土壤特性等条件相同时，现以文献[4]中给出的增强型膨润土和砂浆混合物的灌浆材料（ ＝2.91kW/m.k）进行地源热泵运行模拟，冬季和夏季不同回填材料的启动工况性能比较见图5和图6。回填材料导热系数 ＝2.91kW/m.k冬季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为3.12和2.69。

图5 冬季启动工况性能对比 　图6夏季启动工况性能对比
不同回填材料的模拟研究结果表明，采用导热系数高的回填材料，冬季热泵运行时，埋管换热器进水温度和出水温度都有所升高，吸热量和供热量增加，热泵制热系数增大；夏季埋管换热器进水温度和出水温度降低，埋管换热器排热量、热泵制冷量增加，热泵压缩机输入功率降低，热泵循环性能系数提高。
因此，总体来看，回填材料导热系数高，对热泵的运行性能在冬季和夏季都有一定的程度的改善，回填材料导热系数越大，其性能改善的程度也越大。此外，采用水泥基料的灌浆，也可有效防止污染物从地面向下渗漏，并能防止各含水层之间水的移动。有利于地下水资源的保护。灌浆材料的选择和灌浆方法的研究，应是我国目前推广地源热泵技术的一个值得研究的课题。

3.3 不同土壤特性和回填材料的热泵运行能耗比较
根据模拟结果， 在满足相同供热量和制冷量条件下，采用相同的热泵机组型式和埋管换热器长度，对不同土壤、不同回填材料的热泵运行能耗进行比较，比较的土壤和回填材料物性参数见表2，运行能耗的比较结果见表3。
运行能耗比较的结果表明，土壤特性对地源热泵全年运行能耗有着重要的影响，条件1与标准条件相比，导热系数降低了45.8％，全年运行能耗增加了25.8％。因此，对于不同地区，针对不同的土壤物性参数，在地源热泵运行模拟的基础上，确定合理的热泵机组容量与埋管换热器长度之间的关系，是实现地源热泵系统运行节能的前提。
表2 土壤和回填材料物性
比较类型        土壤材料         
W/m.k        土壤扩散系数m2/h        土壤比热kJ/kg.℃        回填材料         
W/m.k
标 准        重饱和潮湿土壤        2.40        0.003252        0.84        细砂和饱和粘土        2.40
条件1        重土壤潮湿        1.30        0.0023        0.96        细砂和饱和粘土        2.40
条件2        轻土壤潮湿        0.86        0.0019        1.05        细砂和饱和粘土        2.40
条件3        重饱和潮湿土壤        2.40        0.003252        0.84        膨润土－砂浆        2.91
条件4        重饱和潮湿土壤        2.40        0.003252        0.84        重砂浆        3.33
注：1.土壤物性数据来源见文献[3]，回填材料物性数据来源见文献[4、5]。
　　2.条件1、条件2为不同土壤类型，条件3、条件4为不同回填材料类型。
表3 不同土壤和回填材料地源热泵运行能耗比较
比较类型        冬季制热系数        夏季制冷系数        全年运行能耗kWh        能耗比值％
标 准        3.10        2.62        36470        100
条件1        2.82        1.87        45881        125.80
条件2        2.58        1.34        58303        159.87
条件3        3.12        2.69        35844        98.28
条件4        3.14        2.73        35461        97.23
4 不同埋管长度和不同负荷比例地源热泵模拟结果
4.1 不同埋管长度地源热泵系统模拟结果
运行特性的理论分析已经表明，适当增加埋管换热器长度、降低单位埋管换热器长度换热量，可进一步提高地源热泵的运行节能效果。对应着本文研究的地源热泵实验系统的埋管换热器长度480m（2眼埋管井，井深120m），现考虑一埋管换热器系统，当埋管换热器长度增加到600m（3眼埋管井，井深100m）时，满足同样供热量和制冷量的全年运行能耗对比见表4、冬季和夏季的模拟结果对比见图7和图8。
表4 不同埋管长度全年运行能耗比较
埋管长度 m        冬季制热系数        夏季制冷系数        全年运行能耗kWh        能耗比值％
480        3.10        2.62        36470        100
600        3.24        3.06        32945        90.33

图7 冬季启动工况性能对比　 图8 夏季启动工况性能对比
模拟结果表明，当埋管换热器长度增加后，冬季埋管吸热量、热泵供热量、埋管进出水温度和制热系数都有较大程度提高；夏季埋管进出水温度降低、埋管排热量和热泵制冷量、热泵制冷系数也有较大程度的提高。全年运行能耗的比较也说明，当埋管长度增加了25％后，运行能耗降低了9.67％。不同埋管换热器长度的地源热泵运行特性的模拟结果说明，在地源热泵系统设计和方案规划时，应综合考虑系统初投资和运行费用的大小，合理确定埋管长度。