浅谈地源热泵系统设计要点

随着我国经济的快速持续发展，能源消耗逐年增加，大力发展太阳能、地热等可再生能源的合理利用已成为国家能源政策的重要组成部分。

近年来，地源热泵系统在空调、采暖系统冷热源设计中得到了越来越多应用。本文从地源热泵系统的常用形式、系统选择、水文地质要求、热泵机组选型、系统节能等方面，对地源热泵系统的应用设计进行探讨，供大家参考。

所谓地源热泵系统，简单来说就是通过热泵机组蒸发器和冷凝器水侧的冬夏切换，夏季从地下提取冷量，冬季从地下提取热量，并输送给空调末端。

地源热泵系统主要分为两种形式：水源热泵系统和土壤源热泵系统，其中水源热泵系统又分为地下水源热泵系统和地表水源热泵系统。

a)   水源热泵系统

Ⅰ 地下水源热泵系统

地下水源热泵系统因为与机组的连接形式不同又分为开式系统和闭式系统。

开式系统是利用深水泵将地下水直接供应到每台热泵机组，经换热后将井水回灌至地下。虽然开式系统在适当的机组和地下水条件下是一个非常有吸引力的选择方式，但由于可能腐蚀机组和管路或导致管路阻塞，通常不建议在分散式水环热泵系统中应用。

闭式系统是将地下水和机组一次侧循环水用板式换热器隔断，板式换热器采取小温差换热。因为板式换热器可以将地下水循环管路长度缩短到最小，而机组一次侧循环水可采用经过处理的满足要求的水，可杜绝地下水对机组的腐蚀，所以闭式系统非常适用于水环热泵系统。根据地下水深度和水温的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。

地下水源热泵系统和传统的冷热源形式（电制冷机组、锅炉、直燃机组等）在可重复利用、温室效应、清洁性、运行费用等方面相比较，优点较为突出。但考虑近年国内大部分地区水资源的紧缺，地下水源热泵系统在实际运行中并不能保证地下水全部回灌，即使全部回灌也会破坏地下岩层内的压力分布，增加地质构造的不稳定性，而且地下水在抽取、回灌的过程中还是会被不同程度的污染，所以从可持续发展原则出发和为子孙后代考虑，设计人员在应用地下水源热泵系统时应作谨慎思考。

Ⅱ 地表水源热泵系统

地表水源热泵系统是将江、湖、河流等地表水作为一个大恒温器，将多组并联的塑料管组成的热交换器布置在水面以下，换热器内流动的为热泵机组一次侧循环水。

我国东南部地区和长江中下游地区具有丰富的地表水资源，非常适用地表水源热泵系统的运行条件。

另外，在北方地区，可以将污水处理后的二级排水作为冬季地源热泵系统热量提取对象，供给建筑物采暖热水或生活热水。

b)   土壤源热泵系统

土壤源热泵系统是将大地作为一个大恒温器，将多组并联的塑料管组成的热交换器水平地敷设在土壤中，或者以U形管形式垂直布置在竖井中，换热器内流动的为热泵机组一次侧循环水。在北方地区应用土壤源热泵系统时应考虑换热器内循环水的防冻。

土壤源热泵系统对工程水文地质条件的要求相对较低，仅需要足够的地面面积用来敷设水平或垂直热交换器。

在工程确定采用地源热泵系统后，首先需要根据当地的水文地质、气候和工程的占地面积等条件以及各种地源热泵形式的应用特点和影响因素来选择合适的地源热泵类型，以更好地满足项目要求。以下就每种热泵形式的适用条件和影响因素分别叙述。

c)   地下水源热泵系统

Ⅰ 应有足够的土地面积，以供合理地布置水井的间距，并有足够的地下水量、水质较好、有合适的开采和回灌措施，当地政府部门对地下水源热泵系统的应用无限制。

Ⅱ 必须由专业的水文地质勘察单位对项目施工地点进行水文地质勘察，勘察应采用勘测井的方式进行，并出具勘察报告书，报告书应包括以下内容：

（1）对地下水开采和回灌的论述；

（2）地下水压梯度和对地下水流方向和流速的判断；

（3）对地下岩石层在安全条件下能够提供的地下水产量，水温变化，土石层的传热性，以及水质分析结果等方面的论述；

（4）确定抽水井和回灌井的位置，以及对抽水井和回灌井的直径、深度、间距、数量、施工方法和材料的建议。

Ⅰ 应对建筑物的冷、热负荷进行详细的逐时计算，得出最大耗热量和耗冷量，并根据水文地质勘察报告合理确定冬、夏季的运行温差，计算并确定所需的水井总流量。

Ⅱ 应根据建筑物类型、规模、高度、使用特点等因素确定采用闭式地下水系统或开式地下水系统。当建筑物层数较少、建筑物总高度较低时，可采用开式地下水系统；反之，当建筑物层数较多、建筑物总高度较高时，应采用闭式地下水系统。

Ⅲ 水井设计应由有资格的水文地质单位承担，根据确定的水井总流量和水文地质勘察报告来合理设置水井的数量、间距和供水井、回灌井的尺寸，设计应包括以下内容：每口井的预期功能和容量；水井的数量和具体定位；钻井的深度和口径；套管要求；灌浆和回填材料以及    操作过程；钻井设备的要求；供水井和回灌井的互相切换。

d)   地表水源热泵系统

Ⅰ 项目应具有较好的地表水资源，地表水应具有足够的面积和深度，冬季时还应该有足够高的温度。

地表水的面积和深度对系统供冷性能的影响要比对供热性能的影响大。一般来讲，当水深小于9m，水体就不会因温度梯度而产生明显的竖向分层现象，其散热能力就比较小；当水深小于3m，夏季水体的温度因日晒等原因可能会高于空气的湿球温度，因此用于供冷时其散热能力并不比采用风冷冷水机组高；而在冬季地表水须保持足够高的温度以避免热交换器内的水结冰。因此，地表水源热泵系统较适合于我国长江中下游及其以南、以夏季冷负荷为主的地区。

对于较浅的地表水（4.5～6m），每1000m²水面夏季散热量不应超过13KW，且水体不应产生温度分层现象；而对于水深大于10m的深水湖和河流，每1000m²水面夏季散热量不应超过70KW。

Ⅱ 地表水热交换器的设计和选型一般由专业公司承担，首先应根据建筑物的计算逐时最大冷、热负荷和循环水温差计算热交换器盘管的总长度，然后来设计热交换器的构造和流程，即确定环路数量（各环路长度应相等）、布置环路集管。

e)   土壤源热泵系统

Ⅰ 项目应有足够的地表面积，并应根据可用的地表面积确定采用垂直式或水平式土壤热交换器。

对于垂直式土壤热交换器，影响热交换器换热性能的主要因素为地下各层土壤（岩石）平均温度及其导热系数，因其所处的地层较深，地层温度及其导热系数主要受地下水流、各地层构造的影响，相对较稳定。

对于水平式土壤热交换器，因其所处的地下层较浅，土壤温度的季节性变化较大，因此热交换器的换热性能相对较差，布置热交换器所需的地表面积相对垂直式热交换器要大许多。而北方地区冬季的浅层土壤温度已接近0℃，热泵机组的效率会非常低，运行经济性很差。

Ⅱ 无论采用垂直式土壤热交换器还是水平式土壤热交换器，均应由专业的地质勘察单位对项目施工地点进行地质勘察。

垂直式土壤热交换器系统的地质勘察一般采用测试井的方式进行，测试井无需测试地下水产量，因此可以采用小直径的护管套（50mm），勘察成本较低，但测试井的深度应比设计热交换器的埋管深度低15m，并且应根据热交换器敷设的地表面积确定1～3个测试井的数量,测试井在系统正常运行后可作为检测井使用。测试井的测试报告应包括以下内容：

（1）地下水压梯度和对地下水流方向和流速的判断；

（2）对地下岩石层的水温变化，土石层的传热性，以及水质分析结果等方面的论述；

水平式土壤热交换器系统的地质勘察一般采用测试坑的方式进行，测试坑的深度应比热交换器的最深处深1m，并且测试坑的数量应大于4口，测试坑的测试报告应包括以下内容：浅层地表结构，土壤的含水率、土质和导热性。

Ⅰ 土壤热交换器的选型设计和施工应由专业公司进行。首先应分别计算建筑物的年吸热量和年散热量，并根据地质勘察得出的土壤全年平均温度来选择恰当的热泵机组最低和最高进液温度，由此计算出热交换器的吸热长度和散热长度，二者中较长者即为热交换器的设计长度，然后根据热交换器的形式确定土壤热交换器的环路数和埋深。热交换器选型时应尽量使年散热量和年吸热量相平衡，以保持地层的热稳定性。

热泵系统形式确定后，应根据建筑物类型、规模、高度、使用特点等因素确定采用分散式热泵系统或集中式热泵系统。

（1）分散式热泵系统即水环热泵系统，其热泵机组一般为小型水－风热泵机组，机组分散布置在每个空调房间内或附近。分散式热泵系统适用于内区空调负荷较大、噪声水平要求不高的建筑。

(2)集中式热泵系统采用大型水－水热泵机组向末端空调设备（空调机组或风机盘管）供给冬季热水或夏季冷水。当建筑物具有内区负荷时，内外区应分别设置热泵系统，内区为常年制冷，外区根据季节制冷或制热。

另外，应根据进液温度的高低选择恰当的热泵机组，目前我国大部分地区的地下水或地层的温度一般都在10～20℃范围内，因此应选用适合的低温水源热泵机组。

为了降低空调、采暖系统能耗，提高能源利用效率，国家有关法规、规范推荐了多种节能措施。结合地源热泵系统的特点，有以下几种较适用的节能措施。

a)   水系统变流量

由于系统负荷的不断变化，地源热泵系统一次侧和二次侧的水流量也需要随着负荷的变化进行调节，常用的变流量调节方式有一次泵变速调节或二次泵变速调节两种。

采用一次泵变速调节时，宜采用一台大流量变频调速泵来代替多台并联控制的方式，当系统流量较大时，应采用多台并联泵同步变频调速的控制方式。一次泵变速系统适合于单幢建筑物的地源热泵系统。

采用二次泵变速调节时，一次泵一般采用定速运行，多台较小的二次泵采用变频调速方式。二次泵系统较适合于多栋分散的距离较远的建筑物水系统。

b)   水环热泵系统

当建筑物具有较大的内区面积时，即内区空调负荷较大时，宜采用水环热泵系统，各区设置分散的水－风热泵机组。因内区需常年制冷，冬季内区热泵系统会向水环路系统散热，水环路会将这部分热量转移至需要制热的外区热泵系统，这样可最大限度的减少地源侧的取热量，并减少水泵能耗。

c)   热泵机组的热量回收

当采用集中式热泵系统时，可在水－水热泵机组的冷凝器侧串联设置一个热回收装置（热泵机组生产厂家配置），夏季当机组制冷时利用压缩机高温排气回收部分热量，供给建筑物部分卫生热水。一般热回收装置的回收热量约为机组压缩机输入功率的90%。

d)   直接供冷方式

当采用地下水源热泵系统进行夏季供冷时，因地下水具有较低的和较恒定的温度，结合末端地板辐射供冷系统，一次水经板式换热机组小温差换热后可直接供给地板辐射供冷系统，热泵机组仅需供给新风系统负荷，可节省大部分机组耗电量，地板辐射供冷系统负担室内大部分冷负荷，新风系统负担室内全部湿负荷和少部分冷负荷。这种热、湿负荷独立控制的空调系统可避免普通空调系统中存在的冷凝水存留产生霉菌问题、高能耗问题，并可大大提高室内空气环境的舒适度。

当采用垂直式土壤热交换器系统时，因其所处的地层也具有较低的和较恒定的温度，也可采用上述直接供冷系统。

e)   采用地源热泵系统时，应根据当地的气候特征、项目可用的地表面积等因素合理选择地源热泵系统形式，并根据确定的地源热泵系统形式由专业单位进行相应的地质勘察，并出具相应勘察报告；

f)   水井设计应由专业单位进行，其抽水井的抽水量和回灌井的回灌水量必须满足系统负荷的要求。

g)   应根据建筑物特点选择采用分散式热泵系统或集中式热泵系统，并根据一次水最高和最低温度选择适合的热泵机组；

h)   系统设计时应尽可能的采用节能的系统形式和节能措施，降低建筑物能耗。

本文仅对常用的几种地源热泵形式进行了简单的介绍，实际工程中应针对具体方案进行量化分析来确定系统的经济性。