隨著我國經(jīng)濟的快速持續(xù)發(fā)展，能源消耗逐年增加，大力發(fā)展太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉吹暮侠砝靡殉蔀閲夷茉凑叩闹匾M成部分。

近年來，地源熱泵系統(tǒng)在空調(diào)、采暖系統(tǒng)冷熱源設(shè)計中得到了越來越多應(yīng)用。本文從地源熱泵系統(tǒng)的常用形式、系統(tǒng)選擇、水文地質(zhì)要求、熱泵機組選型、系統(tǒng)節(jié)能等方面，對地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計進行探討，供大家參考。

所謂地源熱泵系統(tǒng)，簡單來說就是通過熱泵機組蒸發(fā)器和冷凝器水側(cè)的冬夏切換，夏季從地下提取冷量，冬季從地下提取熱量，并輸送給空調(diào)末端。

地源熱泵系統(tǒng)主要分為兩種形式：水源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)，其中水源熱泵系統(tǒng)又分為地下水源熱泵系統(tǒng)和地表水源熱泵系統(tǒng)。

a)   水源熱泵系統(tǒng)

Ⅰ 地下水源熱泵系統(tǒng)

地下水源熱泵系統(tǒng)因為與機組的連接形式不同又分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。

開式系統(tǒng)是利用深水泵將地下水直接供應(yīng)到每臺熱泵機組，經(jīng)換熱后將井水回灌至地下。雖然開式系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臋C組和地下水條件下是一個非常有吸引力的選擇方式，但由于可能腐蝕機組和管路或?qū)е鹿苈纷枞ǔ２唤ㄗh在分散式水環(huán)熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用。

閉式系統(tǒng)是將地下水和機組一次側(cè)循環(huán)水用板式換熱器隔斷，板式換熱器采取小溫差換熱。因為板式換熱器可以將地下水循環(huán)管路長度縮短到最小，而機組一次側(cè)循環(huán)水可采用經(jīng)過處理的滿足要求的水，可杜絕地下水對機組的腐蝕，所以閉式系統(tǒng)非常適用于水環(huán)熱泵系統(tǒng)。根據(jù)地下水深度和水溫的不同，可以在很大程度上抵消開式系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢。

地下水源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)的冷熱源形式（電制冷機組、鍋爐、直燃機組等）在可重復(fù)利用、溫室效應(yīng)、清潔性、運行費用等方面相比較，優(yōu)點較為突出。但考慮近年國內(nèi)大部分地區(qū)水資源的緊缺，地下水源熱泵系統(tǒng)在實際運行中并不能保證地下水全部回灌，即使全部回灌也會破壞地下巖層內(nèi)的壓力分布，增加地質(zhì)構(gòu)造的不穩(wěn)定性，而且地下水在抽取、回灌的過程中還是會被不同程度的污染，所以從可持續(xù)發(fā)展原則出發(fā)和為子孫后代考慮，設(shè)計人員在應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)時應(yīng)作謹(jǐn)慎思考。

Ⅱ 地表水源熱泵系統(tǒng)

地表水源熱泵系統(tǒng)是將江、湖、河流等地表水作為一個大恒溫器，將多組并聯(lián)的塑料管組成的熱交換器布置在水面以下，換熱器內(nèi)流動的為熱泵機組一次側(cè)循環(huán)水。

我國東南部地區(qū)和長江中下游地區(qū)具有豐富的地表水資源，非常適用地表水源熱泵系統(tǒng)的運行條件。

另外，在北方地區(qū)，可以將污水處理后的二級排水作為冬季地源熱泵系統(tǒng)熱量提取對象，供給建筑物采暖熱水或生活熱水。

b)   土壤源熱泵系統(tǒng)

土壤源熱泵系統(tǒng)是將大地作為一個大恒溫器，將多組并聯(lián)的塑料管組成的熱交換器水平地敷設(shè)在土壤中，或者以U形管形式垂直布置在豎井中，換熱器內(nèi)流動的為熱泵機組一次側(cè)循環(huán)水。在北方地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)時應(yīng)考慮換熱器內(nèi)循環(huán)水的防凍。

土壤源熱泵系統(tǒng)對工程水文地質(zhì)條件的要求相對較低，僅需要足夠的地面面積用來敷設(shè)水平或垂直熱交換器。

在工程確定采用地源熱泵系統(tǒng)后，首先需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)、氣候和工程的占地面積等條件以及各種地源熱泵形式的應(yīng)用特點和影響因素來選擇合適的地源熱泵類型，以更好地滿足項目要求。以下就每種熱泵形式的適用條件和影響因素分別敘述。

c)   地下水源熱泵系統(tǒng)

Ⅰ 應(yīng)有足夠的土地面積，以供合理地布置水井的間距，并有足夠的地下水量、水質(zhì)較好、有合適的開采和回灌措施，當(dāng)?shù)卣块T對地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用無限制。

Ⅱ 必須由專業(yè)的水文地質(zhì)勘察單位對項目施工地點進行水文地質(zhì)勘察，勘察應(yīng)采用勘測井的方式進行，并出具勘察報告書，報告書應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）對地下水開采和回灌的論述；

（2）地下水壓梯度和對地下水流方向和流速的判斷；

（3）對地下巖石層在安全條件下能夠提供的地下水產(chǎn)量，水溫變化，土石層的傳熱性，以及水質(zhì)分析結(jié)果等方面的論述；

（4）確定抽水井和回灌井的位置，以及對抽水井和回灌井的直徑、深度、間距、數(shù)量、施工方法和材料的建議。

Ⅰ 應(yīng)對建筑物的冷、熱負(fù)荷進行詳細的逐時計算，得出最大耗熱量和耗冷量，并根據(jù)水文地質(zhì)勘察報告合理確定冬、夏季的運行溫差，計算并確定所需的水井總流量。

Ⅱ 應(yīng)根據(jù)建筑物類型、規(guī)模、高度、使用特點等因素確定采用閉式地下水系統(tǒng)或開式地下水系統(tǒng)。當(dāng)建筑物層數(shù)較少、建筑物總高度較低時，可采用開式地下水系統(tǒng)；反之，當(dāng)建筑物層數(shù)較多、建筑物總高度較高時，應(yīng)采用閉式地下水系統(tǒng)。

Ⅲ 水井設(shè)計應(yīng)由有資格的水文地質(zhì)單位承擔(dān)，根據(jù)確定的水井總流量和水文地質(zhì)勘察報告來合理設(shè)置水井的數(shù)量、間距和供水井、回灌井的尺寸，設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容：每口井的預(yù)期功能和容量；水井的數(shù)量和具體定位；鉆井的深度和口徑；套管要求；灌漿和回填材料以及    操作過程；鉆井設(shè)備的要求；供水井和回灌井的互相切換。

d)   地表水源熱泵系統(tǒng)

Ⅰ 項目應(yīng)具有較好的地表水資源，地表水應(yīng)具有足夠的面積和深度，冬季時還應(yīng)該有足夠高的溫度。

地表水的面積和深度對系統(tǒng)供冷性能的影響要比對供熱性能的影響大。一般來講，當(dāng)水深小于9m，水體就不會因溫度梯度而產(chǎn)生明顯的豎向分層現(xiàn)象，其散熱能力就比較??；當(dāng)水深小于3m，夏季水體的溫度因日曬等原因可能會高于空氣的濕球溫度，因此用于供冷時其散熱能力并不比采用風(fēng)冷冷水機組高；而在冬季地表水須保持足夠高的溫度以避免熱交換器內(nèi)的水結(jié)冰。因此，地表水源熱泵系統(tǒng)較適合于我國長江中下游及其以南、以夏季冷負(fù)荷為主的地區(qū)。

對于較淺的地表水（4.5～6m），每1000m²水面夏季散熱量不應(yīng)超過13KW，且水體不應(yīng)產(chǎn)生溫度分層現(xiàn)象；而對于水深大于10m的深水湖和河流，每1000m²水面夏季散熱量不應(yīng)超過70KW。

Ⅱ 地表水熱交換器的設(shè)計和選型一般由專業(yè)公司承擔(dān)，首先應(yīng)根據(jù)建筑物的計算逐時最大冷、熱負(fù)荷和循環(huán)水溫差計算熱交換器盤管的總長度，然后來設(shè)計熱交換器的構(gòu)造和流程，即確定環(huán)路數(shù)量（各環(huán)路長度應(yīng)相等）、布置環(huán)路集管。

e)   土壤源熱泵系統(tǒng)

Ⅰ 項目應(yīng)有足夠的地表面積，并應(yīng)根據(jù)可用的地表面積確定采用垂直式或水平式土壤熱交換器。

對于垂直式土壤熱交換器，影響熱交換器換熱性能的主要因素為地下各層土壤（巖石）平均溫度及其導(dǎo)熱系數(shù)，因其所處的地層較深，地層溫度及其導(dǎo)熱系數(shù)主要受地下水流、各地層構(gòu)造的影響，相對較穩(wěn)定。

對于水平式土壤熱交換器，因其所處的地下層較淺，土壤溫度的季節(jié)性變化較大，因此熱交換器的換熱性能相對較差，布置熱交換器所需的地表面積相對垂直式熱交換器要大許多。而北方地區(qū)冬季的淺層土壤溫度已接近0℃，熱泵機組的效率會非常低，運行經(jīng)濟性很差。

Ⅱ 無論采用垂直式土壤熱交換器還是水平式土壤熱交換器，均應(yīng)由專業(yè)的地質(zhì)勘察單位對項目施工地點進行地質(zhì)勘察。

垂直式土壤熱交換器系統(tǒng)的地質(zhì)勘察一般采用測試井的方式進行，測試井無需測試地下水產(chǎn)量，因此可以采用小直徑的護管套（50mm），勘察成本較低，但測試井的深度應(yīng)比設(shè)計熱交換器的埋管深度低15m，并且應(yīng)根據(jù)熱交換器敷設(shè)的地表面積確定1～3個測試井的數(shù)量,測試井在系統(tǒng)正常運行后可作為檢測井使用。測試井的測試報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）地下水壓梯度和對地下水流方向和流速的判斷；

（2）對地下巖石層的水溫變化，土石層的傳熱性，以及水質(zhì)分析結(jié)果等方面的論述；

水平式土壤熱交換器系統(tǒng)的地質(zhì)勘察一般采用測試坑的方式進行，測試坑的深度應(yīng)比熱交換器的最深處深1m，并且測試坑的數(shù)量應(yīng)大于4口，測試坑的測試報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：淺層地表結(jié)構(gòu)，土壤的含水率、土質(zhì)和導(dǎo)熱性。

Ⅰ 土壤熱交換器的選型設(shè)計和施工應(yīng)由專業(yè)公司進行。首先應(yīng)分別計算建筑物的年吸熱量和年散熱量，并根據(jù)地質(zhì)勘察得出的土壤全年平均溫度來選擇恰當(dāng)?shù)臒岜脵C組最低和最高進液溫度，由此計算出熱交換器的吸熱長度和散熱長度，二者中較長者即為熱交換器的設(shè)計長度，然后根據(jù)熱交換器的形式確定土壤熱交換器的環(huán)路數(shù)和埋深。熱交換器選型時應(yīng)盡量使年散熱量和年吸熱量相平衡，以保持地層的熱穩(wěn)定性。

熱泵系統(tǒng)形式確定后，應(yīng)根據(jù)建筑物類型、規(guī)模、高度、使用特點等因素確定采用分散式熱泵系統(tǒng)或集中式熱泵系統(tǒng)。

（1）分散式熱泵系統(tǒng)即水環(huán)熱泵系統(tǒng)，其熱泵機組一般為小型水－風(fēng)熱泵機組，機組分散布置在每個空調(diào)房間內(nèi)或附近。分散式熱泵系統(tǒng)適用于內(nèi)區(qū)空調(diào)負(fù)荷較大、噪聲水平要求不高的建筑。

(2)集中式熱泵系統(tǒng)采用大型水－水熱泵機組向末端空調(diào)設(shè)備（空調(diào)機組或風(fēng)機盤管）供給冬季熱水或夏季冷水。當(dāng)建筑物具有內(nèi)區(qū)負(fù)荷時，內(nèi)外區(qū)應(yīng)分別設(shè)置熱泵系統(tǒng)，內(nèi)區(qū)為常年制冷，外區(qū)根據(jù)季節(jié)制冷或制熱。

另外，應(yīng)根據(jù)進液溫度的高低選擇恰當(dāng)?shù)臒岜脵C組，目前我國大部分地區(qū)的地下水或地層的溫度一般都在10～20℃范圍內(nèi)，因此應(yīng)選用適合的低溫水源熱泵機組。

為了降低空調(diào)、采暖系統(tǒng)能耗，提高能源利用效率，國家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范推薦了多種節(jié)能措施。結(jié)合地源熱泵系統(tǒng)的特點，有以下幾種較適用的節(jié)能措施。

a)   水系統(tǒng)變流量

由于系統(tǒng)負(fù)荷的不斷變化，地源熱泵系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的水流量也需要隨著負(fù)荷的變化進行調(diào)節(jié)，常用的變流量調(diào)節(jié)方式有一次泵變速調(diào)節(jié)或二次泵變速調(diào)節(jié)兩種。

采用一次泵變速調(diào)節(jié)時，宜采用一臺大流量變頻調(diào)速泵來代替多臺并聯(lián)控制的方式，當(dāng)系統(tǒng)流量較大時，應(yīng)采用多臺并聯(lián)泵同步變頻調(diào)速的控制方式。一次泵變速系統(tǒng)適合于單幢建筑物的地源熱泵系統(tǒng)。

采用二次泵變速調(diào)節(jié)時，一次泵一般采用定速運行，多臺較小的二次泵采用變頻調(diào)速方式。二次泵系統(tǒng)較適合于多棟分散的距離較遠的建筑物水系統(tǒng)。

b)   水環(huán)熱泵系統(tǒng)

當(dāng)建筑物具有較大的內(nèi)區(qū)面積時，即內(nèi)區(qū)空調(diào)負(fù)荷較大時，宜采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)，各區(qū)設(shè)置分散的水－風(fēng)熱泵機組。因內(nèi)區(qū)需常年制冷，冬季內(nèi)區(qū)熱泵系統(tǒng)會向水環(huán)路系統(tǒng)散熱，水環(huán)路會將這部分熱量轉(zhuǎn)移至需要制熱的外區(qū)熱泵系統(tǒng)，這樣可最大限度的減少地源側(cè)的取熱量，并減少水泵能耗。

c)   熱泵機組的熱量回收

當(dāng)采用集中式熱泵系統(tǒng)時，可在水－水熱泵機組的冷凝器側(cè)串聯(lián)設(shè)置一個熱回收裝置（熱泵機組生產(chǎn)廠家配置），夏季當(dāng)機組制冷時利用壓縮機高溫排氣回收部分熱量，供給建筑物部分衛(wèi)生熱水。一般熱回收裝置的回收熱量約為機組壓縮機輸入功率的90%。

d)   直接供冷方式

當(dāng)采用地下水源熱泵系統(tǒng)進行夏季供冷時，因地下水具有較低的和較恒定的溫度，結(jié)合末端地板輻射供冷系統(tǒng)，一次水經(jīng)板式換熱機組小溫差換熱后可直接供給地板輻射供冷系統(tǒng)，熱泵機組僅需供給新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷，可節(jié)省大部分機組耗電量，地板輻射供冷系統(tǒng)負(fù)擔(dān)室內(nèi)大部分冷負(fù)荷，新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷和少部分冷負(fù)荷。這種熱、濕負(fù)荷獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)可避免普通空調(diào)系統(tǒng)中存在的冷凝水存留產(chǎn)生霉菌問題、高能耗問題，并可大大提高室內(nèi)空氣環(huán)境的舒適度。

當(dāng)采用垂直式土壤熱交換器系統(tǒng)時，因其所處的地層也具有較低的和較恒定的溫度，也可采用上述直接供冷系統(tǒng)。

e)   采用地源熱泵系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、項目可用的地表面積等因素合理選擇地源熱泵系統(tǒng)形式，并根據(jù)確定的地源熱泵系統(tǒng)形式由專業(yè)單位進行相應(yīng)的地質(zhì)勘察，并出具相應(yīng)勘察報告；

f)   水井設(shè)計應(yīng)由專業(yè)單位進行，其抽水井的抽水量和回灌井的回灌水量必須滿足系統(tǒng)負(fù)荷的要求。

g)   應(yīng)根據(jù)建筑物特點選擇采用分散式熱泵系統(tǒng)或集中式熱泵系統(tǒng)，并根據(jù)一次水最高和最低溫度選擇適合的熱泵機組；

h)   系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡可能的采用節(jié)能的系統(tǒng)形式和節(jié)能措施，降低建筑物能耗。

本文僅對常用的幾種地源熱泵形式進行了簡單的介紹，實際工程中應(yīng)針對具體方案進行量化分析來確定系統(tǒng)的經(jīng)濟性。