摘要：地源熱泵是一項高效節能型、環保型并能實現可持續發展的新技術，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。本文對地源熱泵戶式空調系統設計的幾個關鍵問題進行了探討，對系統的設計方法和運行控制技術進行了分析。
一、引 言
地源熱泵是地下土壤層為冷（熱）源對建筑物進行供暖、供熱水和空調供應的技術。眾所周知，地層之下一年四季均保持一個相對穩定的溫度。在夏季，地下的溫度要比地面空氣溫度低，在冬季卻比地面空氣溫度高。地源熱泵正是利用大地的這個特點，通過埋藏在地下的換熱器，與土壤或巖石交換熱量。地源熱泵全年運行工況穩定，不需要其它輔助熱源及冷卻設備即可實現冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱泵是一項高效節能型、環保型并能實現可持續發展的新技術，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。在冬天，管道內的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統導入建筑物內，同時蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內抽出，通過系統排入地下，同時蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵一年四季均能可靠的提供高品質的冷暖空氣，為我們營造一個非常舒適的室內環境。因此，地源熱泵空調得到了廣泛的發展，尤其適合作為戶式中央空調的冷（熱）源。
地源熱泵的歷史很悠久，美國早在上世紀初就開始了對地源熱泵的性能研究，目前在美國地源熱泵已經成為了一種成熟的，完全產業化技術。到2001年止，已安裝了400000臺地源熱泵，且還在以每年10%速度穩步增長。在北歐如瑞典這些國家，90%的房屋裝有地源熱泵。相對而言，我國對地源熱泵的研究則要晚得多，直到上世紀80年代才有一些單位對它開始進行系統研究。國內開始對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統初投資、保證系統的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數都局限于對所建立的實驗系統進行性能測試并與傳統的空氣熱源熱泵性能進行技術經濟比較，從而得出土壤源熱泵節能的一般性結論。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統，所提供的基礎數據較少而不能作為設計依據。因此在地源熱泵機組及系統開發和設計上還有許多尚待解決的問題。本文將對戶式水-水式地源熱泵機組、土壤熱交換器及整個空調系統等的開發與設計進行簡單探討。
二、地源熱泵空調系統設計
1．地源熱泵系統循環簡介及選擇
地源熱泵系統按其循環形式可分為：閉式循環系統、開式循環系統和混合循環系統。
1.1閉式循環系統
封閉循環系統是指冷（熱）源側的循環水在機組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環。管道可以通過垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，而在夏天則是將建筑物內的熱能通過管道送入地下儲存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。大部分地源熱泵冷（熱）源側換熱系統是采用封閉循環。
1.2開式循環系統
開式循環系統是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點。
1.3 混合循環系統
對于混合循環系統，地下換熱器一般按熱負荷來計算，夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。
1.4 循環系統選擇
閉式循環系統是一中比較穩定可靠的常規循環系統，對地下水、地下環境沒有污染，一般設計應優先考慮該循環系統。對于地下設計熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設計混合循環系統。
2. 系統設計參數討論
關于（冷）熱源側水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環流程長度、埋管材料、管徑大小、當地地源條件以及機組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當增加換熱系數，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加循環水泵能量消耗。一般可取流速為 0.65-1.5 m/s。具體可當地條件進行優化分析與設計，其優化設計考慮的參數關系如下。
復合能耗N = f（長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te，地源熱指標Ke，機組特性Type）
在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。總之，我國幅員遼闊，地處溫帶，在不同地區氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果，而要開發適合我國氣候特點的技術。
三、機組的設計
地源熱泵的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。對于戶式地源熱泵系統，以水-水系統為例，由一個室外機組和多個室內機組組成。該系統可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，具有較好的節能效果。而變頻戶式地源熱泵空調系統加上獨立的新風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式中央空調系統。因而其優化設計具有極其重要的價值。
傳統的制冷系統設計方法是基于經驗加實驗為主。通常經驗設計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經驗設計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩定性差的缺點，只適于產品的初步開發。而基于理論預測的優化設計技術可以有效。最優化方法就是在一切可行方案中選出最優方案的方法。在最優化設計中，表征方案的一切獨立變量為設計變量。最優化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優劣的指標決定于該方案所選定的設計變量，即該指標為設計變量的函數-目標函數。在系統優化設計中，設計變量的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。
變頻戶式地源熱泵空調系統由變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥、室內機、制冷劑管路和水泵水管路系統組成。根據制冷系統熱力學理論，利用參數動態分布、相互關聯的方法，建立系統各部件數學模型和運行參數動態方程，組成系統運行參數的方程組，并對該系統進行動態模擬。模擬系統的動態特性，為優化設計提供依據。為滿足空調系統的節能、熱舒適性及制冷制熱好的效果，空調系統的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達到指標要求。因而在優化設計時，分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標函數的多目標優化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發器結構、面積范圍、迎面風速范圍、系統溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內機數量等約束條件的要求，利用優化方法進行對上述目標多目標優化計算，從而達到針對不同地域的地源熱泵系統的優化設計的目的。
四、地源熱泵地下換熱器形式與布設
土壤熱交換器是地源泵機組設計的關鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。下面就豎直埋管換熱器的設計進行簡單的探討。
1. 豎直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優點。可供選用的管材有高密度聚乙烯管（PE 管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如 DN20、DN25、DN32、 DN50 等。豎直埋管可須根據當地地質條件而定，可以從20m- 200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模。如果地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，反之，采用淺埋。埋管間距一般以5-6米及以上，要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。
2．豎直埋管換熱器回填、靈敏度
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的U 型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U 型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。
3 豎直埋管換熱器中傳熱的衰減
豎直埋管換熱器中流動的循環水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由于蓄熱地溫提高，機組運行時水溫不斷上升，停機時水溫又有所下降，當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反，由于取熱地溫下降，當建筑物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。對于簽埋管尤其嚴重。設計時，首先應設定換熱器埋管中循環水最高溫度和最低溫度。同時，由于埋管換熱器的表面結垢等影響，設計時要考慮衰減。設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態點。
五、結論
對地源熱泵戶式空調系統設計的幾個關鍵問題，系統選擇、熱泵和土壤熱交換器進行了討論，對系統的設計方法和運行控制技術進行了分析。
參考文獻
［1］美國制冷空調工程石協會編，徐偉等譯，《地源熱泵工程技術指南》，中國建筑工業出版社，2001年。
［2］蔣能照、張華主編，姚國琦、壽煒煒副主編：《家用中央空調實用技術》.機械工業出版社，2002年。
［3］周倩、李新國等，垂直埋管式換熱器及周圍土壤溫度場的實驗研究，全國暖通空調制冷2002 年學術年會《論文集》上冊，P806。
［4］范明玉、張瑩編，《最優化技術基礎》. 清華大學出版社, 1982.
一、引 言
地源熱泵是地下土壤層為冷（熱）源對建筑物進行供暖、供熱水和空調供應的技術。眾所周知，地層之下一年四季均保持一個相對穩定的溫度。在夏季，地下的溫度要比地面空氣溫度低，在冬季卻比地面空氣溫度高。地源熱泵正是利用大地的這個特點，通過埋藏在地下的換熱器，與土壤或巖石交換熱量。地源熱泵全年運行工況穩定，不需要其它輔助熱源及冷卻設備即可實現冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱泵是一項高效節能型、環保型并能實現可持續發展的新技術，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。在冬天，管道內的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統導入建筑物內，同時蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內抽出，通過系統排入地下，同時蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵一年四季均能可靠的提供高品質的冷暖空氣，為我們營造一個非常舒適的室內環境。因此，地源熱泵空調得到了廣泛的發展，尤其適合作為戶式中央空調的冷（熱）源。
地源熱泵的歷史很悠久，美國早在上世紀初就開始了對地源熱泵的性能研究，目前在美國地源熱泵已經成為了一種成熟的，完全產業化技術。到2001年止，已安裝了400000臺地源熱泵，且還在以每年10%速度穩步增長。在北歐如瑞典這些國家，90%的房屋裝有地源熱泵。相對而言，我國對地源熱泵的研究則要晚得多，直到上世紀80年代才有一些單位對它開始進行系統研究。國內開始對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統初投資、保證系統的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數都局限于對所建立的實驗系統進行性能測試并與傳統的空氣熱源熱泵性能進行技術經濟比較，從而得出土壤源熱泵節能的一般性結論。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統，所提供的基礎數據較少而不能作為設計依據。因此在地源熱泵機組及系統開發和設計上還有許多尚待解決的問題。本文將對戶式水-水式地源熱泵機組、土壤熱交換器及整個空調系統等的開發與設計進行簡單探討。
二、地源熱泵空調系統設計
1．地源熱泵系統循環簡介及選擇
地源熱泵系統按其循環形式可分為：閉式循環系統、開式循環系統和混合循環系統。
1.1閉式循環系統
封閉循環系統是指冷（熱）源側的循環水在機組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環。管道可以通過垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，而在夏天則是將建筑物內的熱能通過管道送入地下儲存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。大部分地源熱泵冷（熱）源側換熱系統是采用封閉循環。
1.2開式循環系統
開式循環系統是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點。
1.3 混合循環系統
對于混合循環系統，地下換熱器一般按熱負荷來計算，夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。
1.4 循環系統選擇
閉式循環系統是一中比較穩定可靠的常規循環系統，對地下水、地下環境沒有污染，一般設計應優先考慮該循環系統。對于地下設計熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設計混合循環系統。
2. 系統設計參數討論
關于（冷）熱源側水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環流程長度、埋管材料、管徑大小、當地地源條件以及機組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當增加換熱系數，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加循環水泵能量消耗。一般可取流速為 0.65-1.5 m/s。具體可當地條件進行優化分析與設計，其優化設計考慮的參數關系如下。
復合能耗N = f（長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te，地源熱指標Ke，機組特性Type）
在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。總之，我國幅員遼闊，地處溫帶，在不同地區氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果，而要開發適合我國氣候特點的技術。
三、機組的設計
地源熱泵的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。對于戶式地源熱泵系統，以水-水系統為例，由一個室外機組和多個室內機組組成。該系統可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，具有較好的節能效果。而變頻戶式地源熱泵空調系統加上獨立的新風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式中央空調系統。因而其優化設計具有極其重要的價值。
傳統的制冷系統設計方法是基于經驗加實驗為主。通常經驗設計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經驗設計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩定性差的缺點，只適于產品的初步開發。而基于理論預測的優化設計技術可以有效。最優化方法就是在一切可行方案中選出最優方案的方法。在最優化設計中，表征方案的一切獨立變量為設計變量。最優化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優劣的指標決定于該方案所選定的設計變量，即該指標為設計變量的函數-目標函數。在系統優化設計中，設計變量的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。
變頻戶式地源熱泵空調系統由變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥、室內機、制冷劑管路和水泵水管路系統組成。根據制冷系統熱力學理論，利用參數動態分布、相互關聯的方法，建立系統各部件數學模型和運行參數動態方程，組成系統運行參數的方程組，并對該系統進行動態模擬。模擬系統的動態特性，為優化設計提供依據。為滿足空調系統的節能、熱舒適性及制冷制熱好的效果，空調系統的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達到指標要求。因而在優化設計時，分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標函數的多目標優化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發器結構、面積范圍、迎面風速范圍、系統溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內機數量等約束條件的要求，利用優化方法進行對上述目標多目標優化計算，從而達到針對不同地域的地源熱泵系統的優化設計的目的。
四、地源熱泵地下換熱器形式與布設
土壤熱交換器是地源泵機組設計的關鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。下面就豎直埋管換熱器的設計進行簡單的探討。
1. 豎直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優點。可供選用的管材有高密度聚乙烯管（PE 管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如 DN20、DN25、DN32、 DN50 等。豎直埋管可須根據當地地質條件而定，可以從20m- 200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模。如果地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，反之，采用淺埋。埋管間距一般以5-6米及以上，要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。
2．豎直埋管換熱器回填、靈敏度
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的U 型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U 型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。
3 豎直埋管換熱器中傳熱的衰減
豎直埋管換熱器中流動的循環水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由于蓄熱地溫提高，機組運行時水溫不斷上升，停機時水溫又有所下降，當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反，由于取熱地溫下降，當建筑物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。對于簽埋管尤其嚴重。設計時，首先應設定換熱器埋管中循環水最高溫度和最低溫度。同時，由于埋管換熱器的表面結垢等影響，設計時要考慮衰減。設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態點。
五、結論
對地源熱泵戶式空調系統設計的幾個關鍵問題，系統選擇、熱泵和土壤熱交換器進行了討論，對系統的設計方法和運行控制技術進行了分析。
參考文獻
［1］美國制冷空調工程石協會編，徐偉等譯，《地源熱泵工程技術指南》，中國建筑工業出版社，2001年。
［2］蔣能照、張華主編，姚國琦、壽煒煒副主編：《家用中央空調實用技術》.機械工業出版社，2002年。
［3］周倩、李新國等，垂直埋管式換熱器及周圍土壤溫度場的實驗研究，全國暖通空調制冷2002 年學術年會《論文集》上冊，P806。
［4］范明玉、張瑩編，《最優化技術基礎》. 清華大學出版社, 1982.
