地能热泵系统的设计(一)

摘 要：地能热泵系统作为一种利用可再生能源的供热制冷系统，以其节能、环保和稳定等优点，在国内正得到快速推广。但在推广中，因为对系统认识的差异，对于地能热泵系统的设计研究，基本处于探索期，由于一些厂家的非优化设计，也导致了地能热泵系统运行效率的下降。本文针对地能热泵系统的发展情况，介绍了地能热泵的设计步骤，并对设计中一些常见的问题进行分析，指出地能热泵系统设计需要一个整体的优化方案，而不是简单的将室内、机组和埋管简单的组合。


1、背景概述

地能热泵系统，（Geothermal heat pump systems）是利用地下的岩土作为稳定的蓄热体，利用热泵原理实现冬季取热储冷，夏季取冷储热的闭路循环系统。地能热泵系统一般由三个部分组成：大地换热器、热泵主机和空调末端。其中系统的关键是大地换热器的设计和施工。

地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（The geothermal heat pump consortium）的统计，到2003年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为3720万平方米，瑞典为2000万平米，德国为560万平米，加拿大为435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。

北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商，ASHERE也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，若专门的补贴、政府推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有CLIAMTMASTER 、WATER FURNACE 等 ，他们提供符合ARI的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单U型的垂直埋管方式和水平埋管的方式。钻孔深度为50-160米。

在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。对于大地换热器，欧洲技术更多地采用的是双U型的垂直埋管方式。

在中国，地能热泵还是一个刚刚开始的新制冷供热方式。由于北京等城市对大气污染的关注，取消煤锅炉供暖，在1998年-2003年，促使了水源热泵的快速流行，但水源热泵的在国外的应用实践表明，水源热泵只有在特定的条件下，才能取得较好的效果。更多的情况下，由于考虑到开采地下水可能带来的地质限制、水位沉降、水质污染、水井老化、回灌困难等问题，采用水源热泵从建筑的LCA分析上并不是最佳。所以在2000年前后，国内的一些大学和厂家开始在国外技术的基础上建立了一些研究性的样板工程，从2004年开始，地能热泵的项目越来越多。但中国的现状是多种技术流派各种方案都在尝试流行，不同厂家推广的的技术方式差异很大，虽然相对于空气源和水源热泵，整体效果不错，但不同的系统间，差异却相当的大，在系统的设计中，也暴露了不少的问题。

2、地能热泵系统设计现状

地能热泵系统由于地下土壤换热的复杂性以及大地换热器地下埋管的施工成本较高，所以，地能热泵系统设计要求与常规的风冷热泵和水源热泵相比有很多的不同。其中最主要的差异在于地下换热器参数的选取，和建筑逐时负荷累积确定。而这些对于一般的设计院和工程公司都是没有经验可以依据，又没有理论方法和工具解决的问题。一般来说，对于常规空调系统，根据设计工况，确定建筑的最大负荷，选择匹配合适的机组即可。而对于地能热泵，则不仅需要根据工况，确定最大负荷，而且需要逐时负荷和累积总和，并考虑到大地岩土换热保热能力才可以确定系统的平衡。所以地能热泵的系统设计对于不同地区，不同的建筑用途，设计出的方案应当不同。而不是简单地照搬照抄以往的设计参数。
国内目前对于地能热泵的宣传和研究更多地集中在其优点和国外的应用上。其中对于设计方面的研究才刚刚起步，学术界更多地还是集中在不同换热模型的分析比较上，而对于实际应用中的问题，基本还没有形成研究成果。许多的工程都是探索性的尝试，虽然有国外的模型来用作设计指导，但由于应用的不同以及对地能热泵系统的本质差异认识不足和自身的行业领域资源的限制，没有形成适合中国应用的设计标准和规范。

由于理论往往不能指导实践，所以出现先施工再总结的设计，甚至有的公司根据别人经验估计而施工的情况，对地能热泵系统的推广造成了很大的隐患。

从理论上讲，地能热泵系统设计需要经过以下几个步骤：

一、对建筑类型和基本地理情况