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：
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。
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
式中：
Q夏—建筑物夏季总冷负荷 W;
A&mdash ;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
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
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。
参考文献
1、曾淼等，地源热泵地下U型管换热器实验研究，全国暖通空调制冷1998年学术年会《论文集》，P371;
2、龚玉烈、赵军等，浅层桩埋换热器的实验研究与工程应用，全国暖通空调制冷2002年学术年会《论文集》上册，P802;
3、周倩、李新国等，垂直埋管式换热器及周围土壤温度场的实验研究，全国暖通空调制冷2002年学术年会《论文集》上册，P806。
