地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)三種形式。

一、土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。其土壤中埋管的方式有兩種，垂直埋管和水平埋管。若建筑物周圍可利用地表面積充足，應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式；相反，若建筑物周圍可利用地表面積有限，應(yīng)采用豎直U型埋管方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式較多。

二、地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機(jī)組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。

三、地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。

總之，地源熱泵作為一種可再生能源的利用，會(huì)越來越多的被人類所重視，雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國(guó)外（如美國(guó)、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國(guó)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。

可再生能源的利用--高效地源熱泵系統(tǒng)

一、地源熱泵是太陽(yáng)能的有效間接利用

太陽(yáng)能的47%被地表吸收,因此地表淺層蘊(yùn)涵著大量取之不盡的能量,超過人類每年利用能量的500倍，并且不受地域資源限制，無處不在。

二、資源越用越少，太陽(yáng)則天天升起

由于太陽(yáng)能或地能近乎無限且持續(xù)恒定的特點(diǎn)，這使得地源熱泵利用儲(chǔ)存于其中的能量成為可能。

所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源利用的一種技術(shù)。

三、地源熱泵原理

地源熱泵的技術(shù)思路則是以少量高品位能源（電能），實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位轉(zhuǎn)移。地源介質(zhì)在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季制冷的冷源。

即在冬季，把地源介質(zhì)中的熱量“吸取“出來，提高循環(huán)介質(zhì)溫度后，供人采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地源介質(zhì)中去，由地源介質(zhì)將其儲(chǔ)存。這在根本上有別于任何傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),資源越來越少，而太陽(yáng)天天升起。

地源熱泵是太陽(yáng)能的有效間接利用

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)為包括夏季空調(diào)制冷、冬季采暖以及生活熱水，輻射制冷、地板采暖系統(tǒng)等提供能源解決方案。

北方地區(qū)應(yīng)用地源熱泵應(yīng)注意的問題

地源熱泵(GSHP)是以大地為熱源的熱泵。冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對(duì)建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵可以充分發(fā)揮地下土壤蓄能作用，實(shí)是一種節(jié)能，對(duì)環(huán)境無害的綠色采暖

空調(diào)技術(shù)，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。本文僅對(duì)北方寒冷地區(qū)應(yīng)用地源熱泵的有關(guān)問題做一些討論，僅供參考。

一 地下土壤的熱平衡問題

因地源熱泵（GSHP）的自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使土壤溫度有可能逐漸降低，造成冬季使用時(shí)地源熱泵機(jī)組的蒸氣溫度降低，致使系統(tǒng)供熱量下降，耗功率上升，供熱系數(shù)COP降低，一般情況下，土壤溫度降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3—4％。同理，對(duì)于南方地區(qū)，由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷，可能造成地下土壤的溫度越來越高，造成機(jī)組的冷凝溫度提高，致使制冷量減少，耗功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的可靠保證。

對(duì)于水平埋管的地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進(jìn)行充分地?zé)峤粨Q，因此不存在地下土壤的熱平衡問題。對(duì)于垂直埋管，一般埋深大多數(shù)30—100m，此時(shí)與地面及附近土壤的熱交換量較小，根據(jù)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算，建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20％為好。如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱(或冷卻)方式，有的把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。對(duì)于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區(qū)，最常用的方法是采用帶有太陽(yáng)能集熱器輔助加熱的太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)。對(duì)于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū)，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)。上述兩種熱泵系統(tǒng)在一定的氣候地區(qū)，與單獨(dú)的GSHP相比，一般具有節(jié)省投資和降低運(yùn)行費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。

太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)可通過閥門的控制來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能直接供暖，太陽(yáng)能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽(yáng)能集熱器集熱土壤蓄熱的運(yùn)行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽(yáng)能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用。夏季與過渡季節(jié)，太陽(yáng)能集熱器主要用于提供生活用熱水。

二 土壤凍結(jié)對(duì)埋管換熱器傳熱的影響

在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設(shè)計(jì)中不考慮土壤中水份凍結(jié)的影響，計(jì)算出的地下埋管周圍的溫度場(chǎng)偏低與實(shí)際情況偏差較大，水份越多，差別越大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮水份凍結(jié)的影響。但目前有關(guān)巖土凍結(jié)和其計(jì)算方法方面的研究文獻(xiàn)不多，但可以肯定土壤凍結(jié)對(duì)地下埋管換熱是有利的。有的文獻(xiàn)提出在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如不考慮凍結(jié)的影響，換熱器尺寸要比實(shí)際偏大31％。有的采用簡(jiǎn)化方法，把埋管與周圍土壤換熱過程按未結(jié)凍和凍結(jié)兩種模型計(jì)算，凍結(jié)時(shí)按凍結(jié)區(qū)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度及末凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度分別建立盤管內(nèi)流體能量方程、盤管壁的能量方程、土壤凍結(jié)時(shí)的能量方程、土壤末凍結(jié)時(shí)的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到凍結(jié)時(shí)和末凍結(jié)時(shí)的土壤溫度場(chǎng)分布情況�？紤]凍結(jié)時(shí)的土壤溫度均高于未考慮凍結(jié)時(shí)的溫度，而且含水量越高，溫度差別越大。（湖南地源熱泵13973127998）

三 埋管內(nèi)工作流體

在南方地區(qū)，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區(qū)，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃，一般均使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的有：

①鹽類溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

經(jīng)對(duì)水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 最小管內(nèi)流速(流量)

按文獻(xiàn)臨界雷諾數(shù)Rek＝2000，Re>2000為紊流，Re<2000為層流。由 和 的計(jì)算公式，求出上述三種流體不同管徑下的最小流速，即最小流量。計(jì)算結(jié)果為在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說明采用CaCl和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。

3.2 不同流體管內(nèi)換熱系數(shù) (W／m2·K)計(jì)算

采用文獻(xiàn)[4]計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果為在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數(shù)最大。其大小排序?yàn)樗�－CaCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值與管徑和流速有關(guān)，在常用管徑及流速范圍內(nèi)，大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)計(jì)算

由于地下埋管換熱器內(nèi)流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑(過渡)區(qū)內(nèi)，即2100

四 結(jié)論

寒冷地區(qū)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)應(yīng)考慮地下土壤的熱平衡問題，采用太陽(yáng)能輔助加熱的系統(tǒng)是優(yōu)先的選擇。土壤凍結(jié)對(duì)埋管換熱器的傳熱有利，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮此影響。埋管內(nèi)工作流體應(yīng)采用不凍液，由于不凍液的熱物性參數(shù)變化，其埋管內(nèi)最小流速，流體管內(nèi)換熱系數(shù)、流體阻力均與水有很大的不同，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分注意。