一、项目基本情况
（一）项目概况
邯郸市康桥国际大厦位于邯郸市邯山区陵园路东段，总建筑面积48737.04m2，占地面积6916.9m2 。大厦地下2层，地上29层，局部30层。地下2层战时为人防，平时为汽车库，自行车库，及设备用房。1-3层为商业，4-29层为办公。总建筑高度为97.45m（地上），图1为康桥国际大厦总平面图。
该项目拟采用地源热泵空调系统来解决建筑的夏季制冷、冬季采暖需要。
图1 康桥国际大厦总平面图
（二）项目进度
康桥国际大厦已于2009年6月开工建设，计划于2011年05月竣工并投入使用，目前该工程即将封顶，部分施工面的空调、水、电等各专业已具备进场作业的条件。
二、项目测试背景及目的
（一）项目测试背景
结合项目的特点、周围市政供热的现状，并考虑到系统的运行费用，康桥国际大厦项目拟采用地源热泵空调系统。地埋管换热器的换热能力及项目所在地土壤的地层情况作为地源热泵空调系统设计的核心、成败的关键，必须给予足够的重视；同时，该项目作为目前邯郸市最大的使用地源热泵空调这种清洁能源形式的项目，无已建成类似规模的项目实际运行数据可以借鉴，因此，为了确保本项目采用地源热泵空调形式的成功，并在邯郸地区起到示范作用，必须对项目所在地的地层情况、地埋管换热器的换热能力等进行测试，取得准确可靠的原始数据，为项目的设计提供可靠的依据。
为了支持项目建设、配合工程进度，尽快确定地源热泵空调设计方案，北京金万众空调制冷设备有限责任公司于2010年8月5日至2010年8月17日在工地现场组织进行了钻孔试验及地埋管换热器竖直换热管换热能力测试。
（二）项目测试目的
本次测试的目的主要是希望通过本次测试，能够为整个项目的地源热泵空调系统设计提供准确的原始数据。具体包含以下几个方面：（1）了解项目所在地地层情况；
（2）得出双U竖直换热管及单U竖直换热管的单井换热能力；
（3）通过对单管换热能力测试给出群井换热能力分析。
三、项目测试单位基本情况
康桥国际大厦项目地源热泵空调工程中的地埋管换热器竖直换热管换热能力测试由北京金万众空调制冷设备有限责任公司组织并实施，北京工业大学热泵工程中心作为协作单位进行土壤热物性测试。
（一）组织实施单位简介
单位名称：北京金万众空调制冷设备有限责任公司
单位简介：北京金万众空调制冷设备有限责任公司成立于1999年，一直从事中央空调设备的设计、生产、销售及空调工程的施工、安装，作为集国家标准起草单位、生产许可证获取单位、压力容器制造许可单位、空调工程施工资质单位为一体金万众公司可以向用户提供水源、土壤源热泵系统集成服务，可最大限度减少用户在项目实施过程的管理工作量和各工序之间的协调工作。尤其是针对一些地质条件特殊的用户，可以通过调整机组工况效率和热交换器的非标设计制造来为用户提供最适应使用条件的机组和系统。
在实际建筑领域中，金万众公司的地源热泵机组凭借它节能、环保等优点得到了广泛的应用，位于北京望京地区的北京澳洲康都住宅小区就是其中之一，建筑面积28万平方米，全部采用地源热泵空调系统；国家大剧院、北京拉菲特城堡酒店、北京南滨河路住宅小区、北京邮电大学、北京金方大厦、北京宏福大厦、北京湖湾酒店、中国武警工程学院等等，都采用地源热泵技术供冷供暖。截至2007年12月，在北京市1078万平方米采用了地源热泵系统进行供冷供暖的建筑中有超过200万平方米选用了金万众的产品。
（二）协作单位简介
单位名称：北京工业大学热泵工程中心
单位简介：北京工业大学热泵工程中心成立于2001年，主要由北京工业大学具有博士或硕士学位在职教师及研究生组成。北京工业大学热泵工程中心依托北京工业大学技术优势，一直致力于热泵技术研发和热泵系
统设计，具体涵盖了地源、水源热泵相关技术的研究与应用，包括项目可行性分析、地下换热器测试、换热器的设计与计算、土壤蓄热技术及热泵与其他传统技术（太阳能）联合运行的研究等方面内容。
北京工业大学作为在能源利用方面走在前列的高等学府，通过北京工业大学热泵工程中心也承担了多项国家级及北京市市级的科研项目，在国内外杂志期刊发表多篇高水平科技论文，获得了多项国家专利。
北京工业大学热泵工程中心凭借多年的研究积累并参照国际标准，开发出了一套地源热泵系统地下岩土热物性测试设备和换热器的计算方法，目前已经完成多个测试项目，根据实际运行情况来看，效果良好，得到了多方认可。附表（一）为北京工业大学热泵工程中心的部分土壤热物性参数测试项目表。
四、项目测试的组织与实施
（一）测试孔位的确定
结合现场实际情况，并与建设单位、设
计单位协商，确认钻孔位置地下无其他管线
时后，最终确定在建筑东北角的位置打两口
测试井（单U、双U各一口），井径180-200mm，
井深150m。图2为测试井位示意图。
图2 测试井位示意图（二）地埋管换热器的设计及施工
地埋管换热器是地源热泵空调系统的核心，而竖直地埋管换热管的换热能力就成为地埋管换热器设计及施工的重中之重，因此必须做好试验井的设计与施工，提高竖直地埋管的换热能力，保证测试数据的准确性、可靠性。
1、地埋管换热器的设计
根据《地源热泵系统工程技术规范》，结合我公司施工经验，对两口测试井设计相关参数见表8。
2、竖直换热管公称压力选取
综合考虑了项目特点，本次试验采用公称压力为1.6MPa的PE管材作为试验井的竖直换热管。
竖直换热管及U型接头的受力分析详见第五部分第三节<管道承压分析>。
3、地埋管换热器的安装[1]
地埋管换热器的安装分为钻孔、下管、回填等3个阶段，下面对这3个阶段的所采用的工法进行概述。
（1）钻孔
钻孔是竖埋管换热器施工中比较重要的工序。目前应用在地源热泵空调工程中的钻孔设备主要有转盘式钻孔机、冲击式钻孔机等，常用的动力有电动机和柴油机。钻孔设备及动力的选择根据地质条件的不同而有所差异，但电动转盘式钻孔机因其动力方便、更改不同的钻头适应多种地质条件而应用广泛。
钻孔主要采用的方法有螺旋钻孔法、全套管法、回转斗钻孔法、冲击法等，不管哪种方法均需解决好钻井的排屑与注入物注入工艺，因为这两个方面对钻孔质量与效率影响都较大。
常用的排屑工艺分为正循环法、反循环法、双管循环法。正循环法为泥浆、水或空气从钻杆中心压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池。正循环法虽排渣速度较慢，但设备简单便宜，容易操作，安全性高，因而采用较多；反循环法为泥浆、水或空气沿孔壁压入孔底，从钻杆中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于该方法需要在孔口密封，施工现场不易做到，工艺复杂，速度慢，采用相对较少；还有一种双管反循环法，循环物质流经独立的进管和出管，这有助于减少钻孔裂缝，但目前较少采用。
循环注入物质常选择水、空气或者泥浆、黏土等。它们的作用一是冷却钻头，二是带走切屑，对于黏土、亚黏土层一般选择水作为注入物，由本土自行制浆护壁；对于沙土、沙层一般选择注入黏土或泥浆进行护壁。清孔时一般选择清水或清浆。
通过对本项目所在地的了解，本次测试采用是电动转盘式钻孔机，排屑则采用正循环的方法，泥浆从钻杆中心中压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池，同时起到冷却钻头的目的。沉淀池位于钻孔西北侧3-4米处，收集容纳钻井时排出的泥（沙）浆。钻孔的同时，根据从井中返上来浆的组成并结合钻机在不同地层的运行特点，判断地层的类型及深度。图8为1号井地层类型及深度分布图。图3为现场钻孔情况。
图3 现场钻孔施工情况图4 下管施工过程情况（2）下管
下管是工程的关键之一，下管前后的试压工序、下管的深度控制不仅是地埋管安全运行的保证，也是保证地埋管总换热长度达到设计深度的重要步骤。
目前多数地源热泵空调的施工企业或队伍在试压及下管工序做的并不很好，通常由于存在“出厂前已进行过水压试验，应该没问题”的侥幸心理，导致管材到场后不进行试压或进行简单的气压试验就下管；下管时没有管底部引导措施，致使管材在孔内成螺旋状或甚至暗地将管材将截断，根本达不到设计深度，达不到设计的排热或取热能力。即使达到设计
深度，由于通常不安装管卡，致使井内换热管相互接触紧密，降低了换热能力。
北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次测试下管过程中严格执行《地源热泵系统工程技术规范》中试压要求，在下管前进行压力试验，试压合格后将管卡安装固定完成后才进行下管。下管应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行，当钻孔孔壁不牢固或存在空洞洞穴致使成孔困难时设置护壁套管，本次钻孔孔壁牢固，因此不设护壁套管采用自然下管结合人工顶管的方法进行，先将顶管（Ф32焊接钢管）与管材底部U型头固定，然后先依靠重力下管，随着深度增加钻孔底部泥浆浮力大于管材重力时，依靠人工向下顶管引导换热管及注浆管（采用原浆自然沉降方式回填时无注浆管，见下节<回填>详细介绍）尽量竖直地进入钻孔。然后进行第二次压力试验，试验完毕后U型管露出地面约2米，以便于后续测试时管道连接。图4为下管施工过程情况。
（3）回填
二次试压合格后应立即进行回填封井。地埋管换热器钻孔回填封井意义及目的，一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现土壤或回填料对管材的紧固作用。但由于本项目将来的钻孔位置距主楼较近，因此本次测试回填除了要考虑上述两方面外，还应考虑避免深井钻孔回填对大厦桩基产生不利的影响。
目前通常采用的回填方式为原浆自然沉降回填，即回填时将第二口井排出泥浆排至第一口井，该方式容易实现工序的衔接，回填材料和人工成本均较低，但沉降较多，需要后期大量补填，换热效果相对较差。由于采用原浆回填，钻孔内材料抗挤压能力较低，就没有考虑对大楼的桩基的不利影响。
考虑到项目的重要性及安全性，北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次试验测试回填中采用返浆法回填，即在下管时将注浆管与换热管一起下到钻孔底部，注浆回填时使用注浆泵从搅拌机里抽取回填料通过注浆管直接送入钻孔底部，使混合浆自下而上回填封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻，回填时根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，直
到井口外溢回填料为止。第一次回填完成一天后，由于失水等原因回填料下陷，试验井上部形成空腔，此时采用中砂、水、少量泥浆再次回填，一般反复两次至三次，基本能够完成回填，静止3天后进行测试。回填封井时采用低标号水泥砂浆，灰砂比为1：6，并根据粘稠度及润滑度增加部分水及原浆，增强钻孔的抗挤压能力，避免对主楼桩基产生不利影响。回填料粘稠度需合理控制，过稠或过稀均不行。过稠时，注浆泵不能顺利从搅拌机吸到填料，可能造成注浆管堵塞，注浆过程断断续续，更不利于回填密实；过稀时，由于密度过小，不能快速沉至孔底，达不到自下而上的封井作用。表1为施工3个阶段使用的主要设备。图5、6为回填时使用的搅拌机和灌浆泵。
图5 搅拌机图6 灌浆泵表1 地埋管换热器施工使用的主要设备表
序号设备名称规格单位数量备注
1 龙门钻架H=4.0m 组 1
2 钻机N=7.5kw，380V 台 1
3 卷扬机N=7.5kw，380V 台 1
4 泥浆泵N=7.5kw，380V 台 2
5 灌浆泵N=5.5kw，380V 台 1
6 搅拌机N=3.0kw，380V 台 1
7 电动试压机N=3.0kw，220V 台 1
8 钻杆2.7m/根
Φ=80mm
根60
4、测试设备的连接及调试
测试设备连接时，时时处处都注意了降低或避免因连接不当而造成的测量误差。比如：设备尽量接近试验井，以减少裸露在空气中管材的长度；将裸露在空气中的管材敷以25mm厚橡塑保温材料；将管道尽量多的置于防雨棚内，避免因保温外侧遭受雨水冲刷而造成不利散热；上述原因造成的散热均会导致测试数据偏大，致使设计错误。另外选用电压相对稳定的电源，保证设备工作稳定等也很重要。
设备连接完成后，复检接线，确认正确后开机调试。调试过程主要是排除系统空气，确保水泵、温度传感器、流量计、电加热器能够正常工作。表2为测试时主要设备表。
表2 测试时使用的主要设备表
序号设备名称规格单位数量备注
1 电加热器N=1kw 组 1
手动分级
控制启停N=2kw 组 1
N=3kw 组 2
2 电磁流量计LD-15 台 1
3 调速水泵
UPS25-80
最大扬程8m
台 1
4 温度传感器PT1000个 2 测量精度±0.2℃
5 电源稳压器-------------- 根60
6 微处理器EPSON型台 1
（三）项目试验的进度
北京金万众空调制冷设备有限责任公司于2010年8月5日至2010年8月17日在工地现场组织进行了钻孔试验及地埋管换热器竖直换热管换热能力测试。表3为试验井施工测试时间进度表。
表3 试验井施工及测试时间进度表
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 钻孔
1#井
2#井
试压下管 1#井 2#井 回填
1#井
2#井 测试
1#井
2#井
五、 项目测试数据及分析
（一） 测试原理介绍[5]
本次测试利用热反应实验法，采用北京工业大学热泵工程中心设计并监制的电加热式热物性测试设备。该套设备由电加热器、循环水泵、流量控制阀、循环管道、电磁流量变送器、数据采集设备组成，表2为主要设备表。
电加热式热物性测试仪是通过向地下输入恒定的热量，进而监测土壤的温度响应来计算土壤热物性。工作原理是：流体经过电加热器加热后，被送入到地下，加热后的流体温度高于地下土壤的温度，热量通过管壁由流体介质传向土壤，从地下再次回到测试仪中的流体的温度低于进入地下时的温度，管壁周围土壤由于得到来自流体的热量而温度升高（这也就是地下土壤的温度响应），最终达到一个稳态的平衡。整个过程中数据自动采集系统每十分钟自动记录地埋管换热器进、出口的温度、水的流量及加热功率，然后经过数据的分析及计算后，得出土壤的热物性参数及地埋管
时
间
阶 段
井 号
换热器的换热能力。图7即为电加热式热物性测试仪测试原理图。
图7 电加热式热物性测试仪测试原理图
（二）测试相关数据整理
整个试验过程取得的资料或数据分为地层相关资料、换热能力测试数据两大部分，其中换热能力测试取得的数据包括地埋管换热器的流量、地埋管换热器进水温度、地埋管换热器出水温度、电加热器功率。
图8为1号井0-150m地层类型及深度分布图，2号井与1号井距离很近，地层类型及深度分布与1号井基本相同。
换热能力测试数据详见附表（二）、附表（三）。
图8 1号井地层类型及深度分布图
（三）测试管道承压分析
一般竖直埋管工作压力按下式[6]进行计算
F=H1+H2+H3
式中：F------竖直埋管最低端工作压力（m）；
H1------水泵扬程（m）；
H2------为定压水箱液面至地面高差（m）；
H3------为考虑到地下水对管道的径向压力抵消了一
部分管道中水对管壁的向外径向压力（m）。
当地下水稳定水位高于地埋管换热器下端时，
H3为地下水稳定水温深度（m）；当地下水
稳定水位低于地埋
管换热器下端时，
H3为地埋管埋深（m）。
本项目所在地枯水期地下
水位为地面以下约40m，钻孔深
度为150m，因此本测试采用
PE100的PE管材（公称压力
1.6Mpa）作为试验井能够满足
强度要求。图9为U型接头处
受力示意图。图9 U型接头处受力示意图（四）测试数据分析
根据测试的数据信息，结合项目特征及用途，本次测试的协助单位北京工业大学热泵工程中心利用地源热泵无限长线热源模型理论[1][2]通过模拟，分别进行了土壤平均导热系数及单位孔深换热能力计算。
1、地埋管换热器周围土壤平均导热系数模拟计算
（1）土壤平均导热系数计算原理介绍
地埋管换热器换热能力测试的数据分析是以地源热泵无限长线热源模型理论[1][2]为依据。该理论可简述为：假设输入的热量恒定，流体平均温度与时间对数存在一个函数关系，即：
()
()???
???-??? ??-+
-+
=γαπλ2
2102104ln 4r t H T T m c R H
T T m c T T p p f 式（1）
该式可以简化后
()A
t k T f +=ln 式（2）
式中： k －流体温度与时间对数曲线线性回归线的斜率；
A －常数。
从式（2）可以看到，流体平均温度Tf 与时间对数ln （t ）存在的函数关系为线性关系。
通过本次测试得到土壤的热响应数据，使用ORIGIN 专业绘图软件进行曲线拟合，得出水温与时间对数的二维曲线图，该图符合式（2）所述的线性关系，同时该曲线的斜率即式（2）中的K 值也就可以从函数图中得出。从而依据式（3）得到土壤的平均导热系数
()Hk
T T m c p πλ42
1-=
式（3）
根据计算的土壤平均导热系数反过来模拟测试井平均水温，并与实测水温对比，发现模拟水温随时间的变化与实测水温随时间的变化基本一致，从而验证了土壤的平均导热系数计算的准确性。 （2）土壤平均导热系数计算结果
附图（一）为1号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、1号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。
附图（二）为2号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、2号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。
从附图一、二中可以看出，循环水温度与时间对数的变化基本成线性关系。根据拟合结果，模拟温度随时间的变化也与实测温度基本一致，因此使用线热源理论的计算结果与实际情况基本相符。根据测试井温度的拟合曲线，得出K 值，利用式-3得出土壤的平均热导率。表4、表5为1号
井、2号井土壤平均导热系数计算结果表。
表4 1号井土壤平均导热系数计算结果
序号项目内容
1 地埋管类型竖直地埋管
2 换热器材料PE100
3 换热器形式φ32双U型管
4 埋管深度150m
5 回填料种类水泥砂浆
6 测试时间58小时
7 循环水平均流量 1.02m3/h
8 平均加热功率5070W
9 土壤平均导热系数 1.55W/(m·℃)
表5 2号井土壤平均导热系数计算结果
序号项目内容
1 地埋管类型竖直地埋管
2 换热器材料PE100
3 换热器形式φ32单U型管
4 埋管深度150m
5 回填料种类水泥砂浆
6 测试时间63小时
7 循环水平均流量0.79m3/h
8 平均加热功率5270W
9 土壤平均导热系数 1.56W/(m·℃)
2、地埋管换热器单位孔深换热能力模拟计算方法
单位孔深换热能力是指标概算法估算地埋管数量、造价、用地面积
等的主要依据，是实际工程设计中习惯采用的一个重要数据，而土壤导热系数则采用较少。
地埋管换热器单位孔深换热能力的计算要考虑到在实际运行中，随着末端负荷的变化，地埋管换热量是处于变化之中的，因此必须考虑建筑物负荷变化及热量（冷量）累积情况，才能得到更为准确的数值。在本项目中，末端功能按商业、写字楼考虑，地源热泵空调间歇运行。表6为单位孔深换热量计算的参考负荷表。
表6 单位孔深换热量计算的参考负荷表
季节时间负荷情况
冬季第一个月8：00～18：00 60％满负荷第一个月18：00～8：00 20％满负荷第二个月8：00～18：00 90％满负荷第二个月18：00～8：00 30％满负荷第三个月8：00～18：00 90％满负荷第三个月18：00～8：00 30％满负荷第四个月8：00～18：00 60％满负荷第四个月18：00～8：00 20％满负荷
夏季第一个月8：00～18：00 50％满负荷第一个月18：00～8：00 10％满负荷第二个月8：00～18：00 80％满负荷第二个月18：00～8：00 20％满负荷第三个月8：00～18：00 90％满负荷第三个月18：00～8：00 20％满负荷第四个月8：00～18：00 50％满负荷第四个月18：00～8：00 10％满负荷
注：表中为月平均负荷
将1#、2#井测试结果表中各项参数及条件作为计算的已知值输入FLUENT程序，模拟计算冬夏季地埋管的进水温度。计算程序钻井内部采用准三维模型，钻井外部采用柱热源G函数模型。
首先假定单位孔深满负荷运行时的换热量，带入程序试算，若计算结果中冬季地埋管最低进水温度低于4℃，或夏季最高进水温度高于35℃，需要改变满负荷换热量数值从新计算，直到满足夏季地埋管进水温度不高于35℃，冬季地埋管进水温度不低于4℃为止。表7为1、2号井单井换热能力计算表。
表7 1、2号井单位孔深冬夏季换热能力计算表
1号井2号井计算条件
井结构参数双U 深度150m
PE100 Ф32mm
单U 深度150m
PE100Ф32mm
1、夏季地埋管进
水温度不高于
35℃；冬季地埋管
进水温度不低于
4℃。
2、夏季运行时间
为120天，冬季运
行时间为120天。
夏季单位孔
深换热能力
（W/m）
55 48
冬季单位孔
深换热能力
（W/m）
40 35
3、地埋管换热器换热能力测试数据综合
表8为1、2号井测试综合数据表。
根据表6数据显示，该地区土壤平均设计温度为17.5℃，夏季双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力仅比单U高14.6%，冬季双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力比单U高14.6%，这是由于测试时双U竖直埋管换热器管内介质流速比单管小造成的，若管内流速达到单U竖直埋管换热器管的水平，那么双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力会稍高于表中测试数据。
另外，双U竖直埋管换热器夏季单位孔深换热能力比冬季高37.5%，单U竖直埋管换热器夏季单位孔深换热能力比冬季高37.1%。这是由于一般的埋管换热器管内介质为水，水存在冰点冻结的限制，导致冬季埋管换热器的可利用换热温差较夏季小。比如：冬季热泵机组进出水温度7℃/4℃，平均温度5.5℃，与土壤原始温差约为12℃；而夏季热泵机组进出水温度38℃/35℃，该温差约为19 ℃。
表8 1、2号井测试综合数据表
注：
1、 夏季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不高于35℃；
冬季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不低于4℃。 2、 夏季运行时间为120天，冬季运行时间为120天。
试验井编号 1号井 2号井 垂直埋管段
垂直埋形式 双U 单U 垂直深度（m ） 150 150 垂直管总长度（m ） 600 300 钻孔直径（m m ）
180-200 180-200 下管方法 自然下管+人工顶管
自然下管+人工顶管 管卡 每3m 设一个 每3m 设一个 回填材料 水泥砂浆（1：6）+
砂+原浆 水泥砂浆（1：6）+
砂+原浆 回填方法 采用灌浆泵自下而上灌浆，分次回填
采用灌浆泵自下而上灌浆，分次回填
PE 管
外径（mm ） 32 32 内径（mm ） 26 26 公称压力（MPa ）
1.6 1.6 生产厂家 沧州明珠 沧州明珠 现场试
验压力
（MPa ）
管材位于
地面
1.5 1.5 下管完成
后
0.8 0.8 测试连接管
与测试设备距离
2 3 连接管长度
8 6 测试时间（h ）
58 63 土壤的平均设计温度（℃） 17.5 17.5 循环水平均流量（ m 3
/h ） 1.02 0.79m3/h 竖直埋管平均流速 （m/s ） 0.27 0.41 平均加热功率（ W ） 5070 5270 土壤导热系数W/(m ·K) 1.55 1.56 夏季单位孔深换热能力（W/m ）
55 48 冬季单位孔深换热能力（W/m ）
40
35
（五）群井换热的定性分析
在地源热泵空调系统的工程设计中，一般不会出现少量几个双U或单U竖直埋管换热器就能满足建筑制冷、采暖的需求，往往需要多个双U或单U竖直埋管换热器并结合场地情况以一定形状群井排列，形成一个很大的地埋管换热器才能满足。群井传热过程中，每个地埋管周围土壤的温度场受地埋管布置及传热负荷等因素的影响不断变化，同时变化的温度场反过来影响地埋管的换热能力，从而影响整个地埋管换热器乃至整个地源热泵空调系统的性能。
为此，基于上述地埋管传热模型，通过对多热源群井夏季工况土壤温度场分布的数值模拟，分别介绍导热机制及渗流机制下群井换热的特性。（1）导热机制下群井换热的特性
图9为导热机制下群井工作100h土壤截面温度分布模型，图11为导热机制下群井工作500h土壤截面温度分布模型。
由图9﹑10可知，在土壤热物性
参数认定为各向同性的情况下，传热初
期的地埋管排热是以均匀的热流呈辐
射状向四周扩散，土壤中以单个地埋管
为中心的圆周上各点温度相同，距地埋
管中心位置越近的土壤温度就越高。随
着地埋管传热时间的延长，周围土壤温
度逐步上升，传热作用的范围也逐渐扩
大，使传热过程的热阻增大，传热温差图9 导热机制下群井工作100h
减小。工作时间从100h持续到500h，土壤截面温度分布
地埋管换热器周围土壤的等温度线不再表现出圆形的特征，呈现相互影响的特征，其形状随着周围钻井热源的数量及位置的变化而变化。如果某一眼钻井周围钻井的数目越少，该钻井的四周土壤温度增加幅度就越小，在某一方向上减小钻井数目或加大钻井间距，该方向的同一等温度线就向内聚集，温度梯度就大，传热温差也越大，传热效果就越好。
主要原因为：随着工作时间的延
长，单个地埋管换热器周围土壤堆积
的热量越来越多，此时四周钻井也向
土壤中排热，导致钻井之间的传热干
扰、土壤温度升高而无处排放，使得
多个地埋管换热器的传热温差越来
越小，传热情况恶化，换热量越来越
小。在实际工程中，若地埋管布置不
合理或地埋管数量过小，就会导致夏
季地埋管换热器出水温度越来越高，图10 导热机制下群井工作500h
直到机组因进水温度过高而保护停机土壤截面温度分布
无法运转；冬季地埋管换热器出水温度越来越低，直到机组因进水温度过低而保护停机无法运转，甚至导致冻结事故的发生。
因此，对于大规模群井，在钻井用地允许的条件下，宜增加钻井间距，也可选择不同形状的钻井排列，如长方形﹑L形，以减小钻井之间的干扰。在有限的钻井区域，采用方形群井排列比采用菱形在相同的用地面积上能配置数量更多的钻井，可保证地埋管换热器持续﹑稳定﹑高效运行。（2）渗流传热机制
图11为渗流传热机制下顺排排列群井工作100h土壤截面温度分布模型，图12为渗流传热机制下顺排排列群井工作500h土壤截面温度分布模型。图13为渗流传热机制下叉排排列群井工作500土壤截面温度分布模型。
11 渗流传热机制下顺排排列群井工作
100h土壤截面温度分布
一、什么是地源热泵 我们先来简单的认识一下什么是地源热泵，地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能 源利用技术，是热泵的一种，热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。 地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。通常热泵都是用来做为 空调制冷或者采暖用的。 地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑 物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环。 二、优势比较： 地源热泵中央空调和传统中央空调相比，最大的特点就在于它的节能性，这也是很多用户不 顾高额初投资选择地源热泵中央空调的原因，地源热泵除了节能外，还有很多的优点，我们 可以通过与传统中央空调的对比来分析地源热泵到底具有哪些优势，为什么如此深受用户青睐。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：环境保护 从土壤源热泵的整个运行原理来看，土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色环保空调，不管 是冬季还是夏季的运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。 而普通中央空调系统，将废热气或水蒸气排向室外环境，无一例外的都对环境造成了极大的 污染。以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用清洁的、近乎无限可再生的能源，符合可 持续发展的战略要求。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：运行效率 对于普通中央空调系统，不管是采用风冷热泵机组还是采用冷却塔的冷水机组，无一例外的 要受外界天气条件的限制，即空调区越需要供冷或供热时，主机的供冷量或供热量就越不足，即运行效率下降，这在夏热冬冷地区的使用就受到了影响。
而土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地，而大地的温度很稳定，不受外界空气的变化而影响运行效率，因此，土壤源热泵的运行效率是最高的。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：经济方面 地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一体。一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统，从而减少使用成本，十分经济。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：运行费用 地源热泵系统在运行中的节能特点也是显而易见的：通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量，其制冷、制热系数可达4以上，与传统的空气源热泵相比，要高出40%，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。 达到相同的制冷制热效率，土壤源热泵主机的输入功率较小，即为业主提供了较低运行费的空调系统，在全年时间使用空调的场所，这种效果尤为明显。 锅炉只能将70%～90%的燃料内能为热量，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：主机设置 对于普通中央空调系统，若设置风冷热泵机组进行冷热空调，则风冷热泵主机的设置必须要与外界通风良好，要么设置于屋顶，要么设置于地面，这对别墅空调受限就更严重。 而土壤源热泵主机的设置就非常灵活，可以设置在建筑物的任何位置，而不受考虑位置设置的限制。若设置冷水机组+锅炉进行冷热空调，冷却塔和锅炉的位置就更受限制。 因此，就主机的设置而言，地源热泵系统的主机设置是非常灵活的。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：系统简单 一机多用，节约设备用房，应用范围广。地源热泵可供暖、空调，还可用于生活热水供应系统，一套系统可替代锅炉加空调的两套系统，因此一机多用，节省了建筑空间及设备的初投资，机组紧凑，节省设备用房空间，由此而产生的经济效益相当可观。 地源热泵中央空调与传统中央空调对比：无需除霜
地源热泵的12大优势 由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使它具有普通中央空调和锅炉不可比拟的优点： 一、高效节能 与锅炉（电、燃料）供热系统相比，土--气/水型地源热泵系统的转换效率最高可达4.7 。而锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量，运行费用为各种采暖设备的30-70%。由于土壤的温度全年稳定在10℃—20℃之间，其制冷、制热系数可达3.5—4.7，与传统的空气源热泵（家用窗式和分体式空调、中央式风冷热泵）相比，要高出40%以上，其运行费用仅为普通中央空调的50—60%。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得土--气型地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%—60%。 二、绿色环保 土--气/水型地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无废气、废渣、废水的排放，可大幅度地降低温室气体的排放，能够保护环境，是一种理想的绿色技术。 三、分户计费 实现机组独立计费，分户计表，方便业主对整个系统的管理。 四、使用寿命长
家用空调设计寿命8年，燃气锅炉为10年；土--气型地源热泵机组为50年，水循环和风管系统60年以上，地耦管路系统为70年，它比所有各种空调系统和采暖设备的寿命都要长。 五、节省建筑空间控制设备简单 土--气/水型地源热泵系统采用将地源热泵机组分散安装于各处所（居室、会所、办公室等）的方式，中央控制仅需选择水路控制，除去了一般中央空调集中控制所有参量的复杂环节，从而降低控制成本。在各分散安装单元（居室、会所、办公室）可根据用户要求设不同的体积很小的终端控制器，实现从最简单（起停、供暖、制冷三档）到复杂的可编程智能控制方式。 六、系统可靠性强 每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。 七、同时供暖制冷 土--气/水型地源热泵系统可做到同时有的房间或区域制冷，有的房间或区域供暖，这对大型商业建筑尤其重要。采用传统中央空调系统只有使用造价极其昂贵的四管空调系统才能做到，而土--气型地源热泵不需增加任何设备便可做到。 八、维护费用低廉 土—气/水型地源热泵系统不带有室外安装的设备，不设冷却塔、屋顶风机，没有室外设备安装维护费用。压缩机工作稳定，不会出现传
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/7f15994619.html, 地源热泵在建筑节能中的应用 作者：高源 来源：《中国新技术新产品》2012年第09期 摘要：随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，居住环境的舒适性和低碳环保越来 越成为现代绿色建筑的新标准。我们应采取各种有效的技术和管理措施，公共建筑和住宅的供暖和空调已成为人们的普遍要求空调早已悄悄进入我们的生活。本文在地源热泵发展现状的基础上，对地源热泵系统进行了研究，比分析了其在建筑节能中的应用。 关键词：地源热泵；建筑节能；应用 中图分类号：TU201.5 文献标识码：A 随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，居住环境的舒适性和低碳环保越来越成为现代绿色建筑的新标准。我们应采取各种有效的技术和管理措施，公共建筑和住宅的供暖和空调已成为人们的普遍要求，空调早已悄悄进入我们的生活。作为目前改善建筑热舒适条件的工具，在上海空调家庭拥有率已达到平均1台以上。作为中国传统供热模式的燃煤锅炉不仅能源利用率低，燃气锅炉运行费用又相对较高，而且还会给大气造成严重的污染。地源热泵正以其节能、环保和可持续发展的突出优点，如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，日益成为空调供暖工程优先选择的方案之一。减轻对大气环境的污染，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。对大气环境的污染也将日趋严重。在保证使用功能不降低的情况下，对原有建筑物有计划地进行节能改造，把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来，地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物，达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的，供暖及制冷新技术越来越受到关注。 1 地源热泵的现状 美国是世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国。1946年，美国第一台地源热泵系 统在波兰特市中心区安装成功。1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会 大学安装，地源热泵从此在美国政府、军队、电力公司等得到了大量应用。1998年，美国环 保署颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源，现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖，夏季把室内的热量取出来，释放到地下去。全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。
浅谈地源热泵系统的节能运行管理 王阳阳 摘要：地源热泵是一种可再生的能源利用技术，由于具有高效节能、稳定可靠、无环境污染、维护费用低、使用寿命长等优点，近年来在国内外得到了广泛的推广和应用。针对包神铁路公司沿线地源热泵系统的运行情况进行反复研究和测试，本文客观分析了影响地源热泵系统能耗的主要因素，从这些因素着手，建立一套规范的节能运行管理体系，不仅能够有效避免能源的浪费，促使设备更加高效、稳定运行，而且还为以后热泵系统的节能运行提供了实践经验。 关键词：地源热泵节能运行实践经验 1 地源热泵简介和原理介绍 地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种，热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中的冷量和热量到所需要的地方。通常热泵都是用来作为空调制冷和采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环。 2 系统运行节能分析 2.1 系统能耗的主要组成 该系统是以消耗电能的方式，实现冷量和热量的转移，即夏季将从房间获取的热量释放到浅层土壤中，冬季再将土壤中储存
的热量提升到房间内。在这个过程中，系统能耗主要由地源热泵机组能耗（压缩机能耗），空调、地藕循环泵能耗，末端设备（风机盘管）能耗，换热器的传热能耗等因素组成。 2.2 热泵机组能耗 综合多个参考资料，地源热泵机组的能耗约占系统总能耗的40％，空调、地藕循环泵能耗和换热器的传热能耗约占20％，换热器的传热能耗等约占20％，由此可见热泵机组能耗的高低是影响系统能耗的最主要因素。 2.2.1 供电电压对热泵机组能耗的影响 一般情况下，地源热泵维保人员往往太过于关注热泵机组的运行参数和报警故障，而忽视了电网的供电电压，但在系统的节能运行管理中，必须要求维保人员及时关注压缩机的供电电压。由于设备在运行过程中，耗电量与运行电压成正比，供电电压过高就会直接导致热泵机组能耗的增大。如额定电压为380V的地源热泵机组如果在410V的实际电压中运行，该系统的能耗就会增加8％。因此，对热泵机组供电电压的调整将会直接影响系统的节能性。另外，供电电压过高不仅会增加热泵系统用电设备的耗电量，而且，机组长时间在超电压的环境下超负荷运行，也会减少使用的寿命。这就要求地源热泵维保人员，在日常巡检过程中要定期检查和测量热泵系统的供电电压，如发现供电电压过
地源热泵节能性研究 文章基于地缘热泵的工作原理及地源热泵系统本身的优缺点进行论述，主要对地源热泵的节能技术进行相关的分析，指出当前地源热泵技术存在的问题，并指明以后的努力方向，得出自己的观点。 标签：地源热泵；节能；发展 地源热泵技术广泛应用于现代建筑中，很好的解决了人们在办公和生活中的一些难题，针对电能和煤炭资源的使用做出了很好的分流作用，有效的减少了对大气的污染，同时对新能源的开发利用也有了更好的促进作用。但在地源热泵技术的发展中也陆续的暴露的一些问题，如何在地源热泵中发挥更好的节能作用，更好的号召国家的节能减排，是目前存在的最大问题，本文结合一些实际的地源热泵的使用单位，进行相关的论述，以期得到更好的实际经验。 1、介绍地源热泵的相关概念 地源热泵技术是一项现代化的再生资源利用技术，起主要的工作原理是，利用地表较浅的地层地热资源，通过相应的热泵机组实热能由低温位向高温位转移的目的，最终达到建筑物实现制冷后者是制热的目的。这一過程中，可能有适量其他能量的参与，比如电能的相关消耗，总体上是目前较为节能的可再生资源再生的一种利用方式。 1.1简单介绍地源热泵的工作原理 地源热泵首先是热泵的一种，它是卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷热量的设备。地源热泵是利用浅层地表的地下水，地表水或者是土壤里面所蕴含的巨大的蓄热蓄冷通过机组向建筑物内部提供冬夏两季不同的供热或者是供冷模式，实现在不同的季节提供不一样的热量或者是冷量。 1.2地源热泵节能技术的两种工作模式 （1）制冷模式 在制冷模式下，地源热泵的做工对象是冷物质材料，建筑物内的热气是其做功的对象。发生的化学过程是汽化到液化，首先是蒸发期对室内热空气的蒸发，由风机盘管循环所携带的热量储存在冷媒中，在冷媒中循环同时再通过冷媒器中冷媒的凝聚，然后由水路循环系统，将冷媒所蕴含的热量转移到地表，地下水或者是土壤里，实现室内的热量不断的向地下转移的目的，最终实现室内的温度恒定在13度左右的室温，完成对室内制冷的效果。 （2）制热模式
地源热泵 一、地源热泵介绍 实施可持续发展能源战略已成为新时期我国能源发展的基本方针，可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。2004年国家发展和改革委员会发布了中国第一个《节能中长期专项规划》:加快太阳能、地热等可再生能源在建筑物的利用。2006年1月1日《可再生能源法》正式实施，地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，同时也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式，近年来在国内得到了日益广泛的应用。 地源热泵技术是利用地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低这一特点进行能量转换的空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。 地源热泵在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器，它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的能量转换。 因为地源热泵只使用电力，没有燃烧过程，对周围环境无污染排放；不需使用冷却塔，没有外挂机，不向周围环境排热，没有热岛效应，没有噪音；不抽取地下水，不破坏地下水资源，所以在最新颁布的《中国应对气候变化国家方案》中提出:积极扶持风能、太阳能、地热能、海洋能等的开发和利用。积极推进地热能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术。
二、地源热泵系统构成与原理 地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。 地球是一个巨大的蓄热体，一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。地源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤或地下水中提取冷量，由热泵原理通过空气或水作为载热剂降低温度后送到建筑物中，而冬季，则从土壤或地下水中提取热量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中，从而实现的热交换过程。需要特别指出的是：地热泵中的冷热源不是指地下的热汽或热水，而是指一般的常温土壤、地表水、地下水。 地埋管热泵系统以导热好、抗腐蚀、强度高且可绕曲的材料制成
地源热泵空调和空气源热泵空调的节能对比 地源热泵和空气源热泵都是能量的搬运工，但是在能量的转化上还存在着不同。地源热泵是利用可再生能源，而空气源热泵是通过空气源热泵技术将能量的转化。通过对比我们可以看出二者之间的到底有何不同。 空气源热泵：简单地说，空气源热泵就是利用少量的电能，对室外空气进行加工，把符合我们所需求的舒适温度输送到室内来，在这个过程中，空气源热泵消耗了电能作了两次功，即是使室外空气温度达到需求温度，升温或降温，这是对室外空气作功，另一个是在冷、热能量运输至房间，这是对搬运作功。空气源热泵受外界自然因素的影响，当室外环境温度很高时，很难把室内热空气排出，房间内的制冷效果差，当冬季室外温度很低时，制热又会有结霜现象。所以自然因素对空气源热泵有很大的影响。 地源热泵：地源热泵则是利用可再生能源，通过地下土壤，耗用小部分电能，与土壤中所蕴含的能量进行转换，经过换热器和载体输送到室内，冬季起到供暖作用。而到了夏季，再把室内的热量通过机组在传输到地下，起到制冷作用。在这个过程中，地源热泵只对搬运作功，这就是地源热泵空调比空气源热泵空调节能的原因，对比空气源热泵可节能40-60％。地源热泵空调系统在地下工作，完全不受外界自然条件的约束，而且运行稳定，一机多用，低碳环保。
1912年，地源热泵技术在瑞士被提出，至今已有百年历史。 1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波特兰市中心区安装成功，从此地源热泵开始在美国发展起来。 清华大学博士方肇洪教授在2000年赴美国俄克拉荷马州立大学(OSU)专门研究地源热泵技术，并把这项技术带回国内应用于工程实践。 美国多年来的统计资料显示，地源热泵的运行费用（采暖）比耗电空调节约35%～50%，比燃油、燃煤锅炉运行费用节约40%～60%。 大修是指是预防性定期维护保养服务之一.大修涉及对有异常现象的设备部分进行拆卸和检修.检测空调设备的损耗情况,并提供改进方案,并及时更换原厂配件。 对于较大的项目,通常工作步骤为： 勘查现场,了解现状->确定工作内容->清洗、修复、点检->交付维保报书。
目录 摘要 1地然热泵介绍 (1) 1.1热源 (5) 1.2组成部分 (5) 1. 3主要特点 (5) 1. 4形式 (6) 1.5可再生性 (7) 1.6高效节能 (7) 1.7优点 (9) 1.8工作原理 (10) 热泵原理 (11) 热泵分类 (11) 1.9系统类型 (12) 1.10应用方式 (13) 1.11制冷原理 (14) 1.12制热原理 (14) 1.13存在问题 (14) 2土壤源热泵系统设计的主要步骤 (13) 2.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 (14) 2.2地下管道设计 (14) 2.21 选择管材 (1) 5 2.22确定管径 (16) 2.23 确定竖井管 (1) 6 2.24 确定竖井数目及间距 (17) 2.25 计算管道压力损失 (17)
2.26 水泵选型 (1) 7 2.27校核管材承压力 (18) 3 其它 (1) 8 4 设计举例 (19) 4.1 设计参数 (2) 4.1.1 室外设计参数 (2) 1 4.1.2 室内设计参数 (2) 1 4.2 计算空调负荷及选择主要设备 (2) 1 4.3 计算地下负荷 (2) 2 4.4 确定管材及埋管管径 (2) 2 4.5 确定竖井埋管管长 (2) 2 4.6 确定竖井数目及间距 (2) 2 4.7 计算地埋管压力损失 (22) 4.8 校核管材承压能力 (22) 5参考文献 (23)
摘要 随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。 土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。 地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。 地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。 虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。
地源热泵技术对建筑节能的重要意义分析 发表时间：2018-10-19T14:04:12.270Z 来源：《科技新时代》2018年8期作者：杨晓伟 [导读] 在世界各国都在关注能源、环境等问题的形势下，对于建筑行业来说也提出了绿色建筑的理念，其中比较关键的技术就是地源热泵技术 国家能源集团准能集团大准铁路公司 010300 摘要：在世界各国都在关注能源、环境等问题的形势下，对于建筑行业来说也提出了绿色建筑的理念，其中比较关键的技术就是地源热泵技术。文章在介绍地源热泵技术的概念和原理的基础上，对此技术在我国的发展现状和未来的发展趋势进行分析，重点研究此技术在建筑行业中的应用对于我国建筑节能的重要意义。 关键词：地源热泵技术；建筑节能；重要意义 1引言 在我国目前经济快速发展和建筑行业不断发展进步的形势下，人们生活水平不仅有了极大的提高，而且对于建筑使用性能和舒适性也提出了较高的要求。在目前的民用以及公共建筑中，通常为了满足冬暖夏凉的要求，采用的是冬季燃煤锅炉系统进行供热而夏季采用空调进行制冷的方式。而此种方式在目前全球资源紧缺和环境恶化的背景下，已经无法满足我国提出的节能减排和可持续发展的要求。而地源热泵技术则是一种新型的空调系统技术，可以实现对地下浅层地热资源(通常小于400米深）的利用来实现冬季供热，并且在夏季将室内的热量待会地下土壤中来实现制冷，确保室内温度的舒适性。而且比起传统的燃煤锅炉制热以及空调制冷的方式具有较高的节能优势。 2地源热泵技术的概念及原理 地源热泵技术所采用的原理就是针对不同地区中在地下一定深度的位置其土壤和地下水的温度会常年保持在25℃的温度左右，是人体感觉比较舒适的温度。其基本原理简单地说就是将建筑物的供热以及制冷的管道在此深度的位置进行填埋，然后利用热泵的原理将室内的热能与地下此位置的热能进行交换。这样就可以实现在夏季室内温度较高时，可以将室内的热量带入地下，并实现与地下较低温度的热能进行交换；而在冬季则将地下土壤中的热能进行取代来实现给室内供暖，这样就可以确保室内在全年始终保持一个比较舒适的温度。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到4—5KW以上的热量或冷量,因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节约二分之一的能量；其制冷、制热系数可达4—5，运行费用为普通中央空调的50—60%。地源热泵技术主要有地能换热系统、热泵机组系统以及室内空调系统等三大部分组成。其中目前比较常用的热泵机组主要采用水和空气型机组以及水和水型机组两种，就是通过空气或水作为介质来实现室内热能与地下热能之间的热能交换。 3当前地源热泵技术在国内的发展及应用现状 地源热泵技术最早是在上世纪初由瑞士的科学家提出的，并且在欧美等发达国家开始迅速普及，地源热泵技术以及市场也不断成熟，在住宅建筑、公共场所中已经逐渐代替传统的空调系统，而且目前有些国家也已经开始对生活和工业废水进行充分利用，推动地源热泵的技术创新和推广应用。而我国是在上世纪80年代开始进行地源热泵技术的研究，经过了30年左右的发展，尤其是近年来随着我国经济的发展和工业化以及城镇化进程的不断加快，地源热泵建筑面积已经超过5亿平方米，居世界前列，但是在我国目前新增的建筑面积中，地源热泵建筑面积的占比较低，仍需在进行超低能耗建筑推广和绿色建筑推广过程中，增加地源热泵技术的应用，发挥地源热泵技术在建筑节能方面的作用。 在目前我国重视地源热泵建筑的发展，推动地源热泵技术不断进步的同时，地源热泵的热源类型也在不断增加、产业规模在不断扩大，并随着市场化的运转和不断成熟也逐渐降低了市场价格，为我国的节能减排工作做出突出贡献。地源热泵系统的主要发展趋势为在地下水源热泵数量逐渐减少的同时提高其运行效率和效果，主要表现在新型换热器以及室外机组的研发不断深入，国际间的合作不断增强且在不断引入先进的国际领先技术，地源热泵系统的设计、施工和运行也更加专业化。 4地源热泵技术对建筑节能的重要意义 4.1推动我国建筑节能的快速发展 在我国目前推动节能绿色建筑的过程中，大部分的既有建筑仍然无法满足目前我国提出的节能建筑标准的要求，而且正在建设的建筑项目中，也有超过80%的建筑达不到以上标准。而发达国家中此比例进不到一半。尤其我国的建筑数量基数较大，因此我国的超出节能建筑标准的建筑数量已远超出国际水平，对于我国的能源浪费和环境污染造成不利影响，不符合我国提出了节能减排以及可持续发展的策略要求。尤其是我国北方的大部分城市，冬季需要进行供暖，而且目前主要的供热方式就是燃煤锅炉的形式，对于目前北方越来越严重的雾霾天气产生不利影响。此外，目前我国大力发展的风能、太阳能以及水能等清洁型能源则在建筑中由于技术以及能源分布等因素而受到一定的限制，导致上述清洁型能源的利用概率较低。但是地源热泵技术则可以对我国目前丰富的地下浅层热能资源进行利用，不仅满足冬季供热的需求，也能满足夏季制冷的需求，可以在我国的建筑项目中广泛应用，对于推动我国建筑节能发展提供了发展方向和有力保障。 4.2具有良好的经济性特点 基于地源热泵技术设计的空调系统在建筑中进行应用，不仅可以实现冬季供热以及夏季制冷，而且可以进行生活热水的供应，实现一机三用，全年冷热供应，节省投资和占地，所以说，地源热泵的空调系统的功能比较多样化，可以采用一套系统来代替原有的供热系统以及制冷系统。此外，此种系统的结构较为紧凑，可以减少建筑项目建设过程中的空间占用，而且便于后期使用的维护。此技术还可以提高空调系统的利用效率，比传统的空调系统的运行效率提高50%以上。而且地源热泵空调系统常年保持在稳定的温度，所以机组可以持续进行稳定的运行，便于进行机组的运行和维护来确保机组的可靠运行。但是相较于传统的空调系统来说，由于不同地区具有不同的地形、地质条件以及能源结构，所以在进行前期建设时，采用地源热泵技术的投入比较大，投资成本的回收较慢，但是后期的使用和维护费用会远低于传统的空调系统和供热系统等。 4.3地源热泵技术具有显著的环保效果 在环境污染问题日益引起人们关注的同时，我国政府也加大了对环境保护的投资力度，但是在我国近年来经济快速发展的同时，我国对于石油、煤炭等能源的消耗量也在不断增加，同时也导致大量的废气以及废渣等环境污染物的产生。所以尽管我国在不断加大环境保护的投资力度，但是环保问题仍然比较严峻，且没有得到有效的解决。而随着建筑工程项目的不断增多，建筑工程建设以及运营过程中也具
地源热泵冷热平衡问题研究 0 引言 地源热泵与一般的空调系统相比具有显著的节能效果，这主要是由于其较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，从而可以很大程度地提高机组运行的COP。同时，由于地源热泵系统不直接向空气中排放热（冷）量，因此它还是一种较为清洁的空调方式。 由于我国大部分地区都是夏热冬冷地区，也就是冬季需要供热，夏季需要供冷，所以我们只是单纯地把地下作为一个热量储备设备，夏季把热量储存到地下以备冬季来用，冬季储存冷量供夏季制冷。但是，一般来说冬夏冷热负荷很难达到绝对的平衡，在长三角地区这种现象尤其明显。如果出现严重的冷热不平衡的情况（极端情况就是单冷或单暖地区），就会导致地下温度逐步地升高或者降低（长时间运行）。一般情况土壤温度降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3%～4%[1]，因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。为推广地源热泵这种节能环保的空调系统在长三角地区的应用，本文提出了一种地源热泵系统全年冷热量平衡的方式。 系统介绍 地源热泵热回收系统 对于宾馆一类的建筑全年使用空调的同时还有生活卫生热水的要求，这一类建筑比较适合采用地源热泵机组。该类建筑可以在夏季提供空调冷量，过渡季节空调采用全新风，冬季提供空调热量，同时全年利用地源热泵机组提供生活热水。目前在夏季供冷的同时提供热量的方案比较少，这里采用在地源热泵主机地源侧增加热回收的方式来解决该矛盾。图 1 为这种热量回收方式的原理图：当主机需要制冷时，阀门V1 关闭，V2 开启；当主机制热时，阀门V1 开启，V2关闭。
图 1 热回收方式原理图 1.2 运行方案 在夏季时，地源热泵主机蒸发器侧与空调用冷端进行换热，地源热泵主机冷凝器侧与地埋管换热器侧以及建筑物内其他需用热（如生活热水）的热用户相接，热量只有一部分被土壤吸收；在冬季运行时，空调侧需要热量与地源热泵机组的冷凝器侧相接，同时建筑物内还有其他需要供热的部分热用户，地埋管换热器侧与蒸发器侧相接，向地下排放冷量；过渡季节建筑物内只有热用户需要提供热量，此时地源热泵主机冷凝器侧与热用户相连接，地埋管换热器侧与地源热泵主机蒸发器侧相连接，向地下释冷。 1.3 能量守恒关系 夏季：空调制冷需要向地源侧排出热量，生活热水需要吸收热量，在夏季主要是利用余热回收来提供生活热水。根据文献[2]可以得到以下的平衡关系。当热回收能满足热水要求时：111r f Q EER EER Q Q -+? = （1） 当热回收不能满足热水要求时： （2） 式中：Qf 为向地源放热量，kWh ；Q1 为处理空调负荷总 的 冷 量 ，kWh ；
地源系统类型 1.水平式地源热泵 水平式地源热泵 通过水平埋置于地表面2～4以下的闭合换热系统，它与进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系统初和施工难度相对较小，但占地面积较大。 地源热泵 2.垂直式地源热泵 垂直式地源热泵 通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M～400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，难度相对较大，但占地面积较小。 地源热泵 3.地表水式地源热泵
地表水式地源热泵 地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与、、等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显着的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。 地源热泵 4.地下水式地源热泵 地下水式地源热泵 地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。 近几年来，地能开发取得突破性进展。地球表面水源和土壤是一个巨大的集热器，收集来自太阳48％的能量，比人类每年利用能量的500倍还多。按换热载体分区，地源热泵空调主要有四种形式： 一是地埋管地源热泵；二是地下水地源热泵；三是地表水地源热泵(包括海水源，江湖河溪水或地表潜水)；四是混合式地源热泵。 地表向下30～130米左右，一年四季的温度是相对恒定的，一般在15～ 20℃左右。地源热泵正是利用地能这一特性，通过消耗少量的电能，实现由低温位向高温位或由高温位向低温位的转换，从而充分地利用地能。在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。 一地源热泵空调的优点 从理论和能耗的角度上分析，地源热泵空调技术利用储存于地表浅层或地下的取之不尽的能源，成为可再生能源的一种形式。地源热泵空调之所以节能，是因为其将土壤、地表水或地下水作为能源，在同等工况下，只需消耗约50％的能源，就可提供同等能量，比溴化锂
浅谈地源热泵空调节能 发表时间：2016-03-30T16:46:54.527Z 来源：《基层建设》2015年23期供稿作者：杨柳1 吴磊2 [导读] 1.青岛大荣置业有限公司山东青岛 266000；2.烟台金苹果置业有限公司山东烟台 264000 一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50％左右，所以，从空调系统考虑节能，对降低建筑能耗，尤其重要。 杨柳1 吴磊2 1.青岛大荣置业有限公司山东青岛 266000； 2.烟台金苹果置业有限公司山东烟台 264000 摘要：主要针对目前公用建筑空调能耗较大的状况，从具体节能措施方面，进行了阐述，其中对地源热泵系统的推广和选用前景进行了分析。 关键词：空调节能；地源热泵；减少冷热负荷 引言 目前国内的公共建筑很多采用中央空调系统的，但这些采用中央空调的建筑普遍存在着高能耗的问题，空调能耗是商业建筑的能耗的主要部分。一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50％左右，所以，从空调系统考虑节能，对降低建筑能耗，尤其重要。本文主要从设计标准、选择合理的室内设计参数和空调系统选择方面进行了分析，主要对两个方面进行阐述：设计和运营中减少冷热负荷、充分利用可再生能源。 1、减少冷热负荷 1.1 提高建筑的设计标准 从设计方面，节能设计标准中已作了规定。2015年7月1日开始施行的《公共建筑节能设计标准》1．0．3，在保证相同的室内环境参数条件下，与未采取节能措施前相比，全年采暖、通风、空调和照明总能耗应减少50%。 1.2 选择合理的室内设计参数 如国务院办公厅率先发布，关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知二、严格执行空调温度控制标准所有公共建筑内的单位，包括国家机关、社会团体、企事业组织和个体工商户，除医院等特殊单位以及在生产工艺上对温度有特定要求并经批准的用户之外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。一般情况下，空调运行期间禁止开窗。 以上是国家通过制定设计标准和管理措施两方面，以实现减少公共建筑冷热负荷的目的。下面从能源利用方面加以阐述。 2、充分利用可再生能源 2．1系统选择 随着空调工业的发展，先进的中央空调系统不断的出现，地源热泵中央空调系统在工程中的成功运用，成为了我国中央空调发展的趋势，体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。美国环境保护局已经宣布，地源热泵系统是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。 该系统以水（或加有防冻液的水）作为冷热量载体，水在埋于岩石内部的换热管道与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。冬季循环水通过埋在岩石下面之高密度聚乙烯管环路，从岩石中吸收热量，使循环水温度升高，供给地源热泵机组；夏季循环水通过地埋管将热量排放到土壤中，使循环水温度降低供给地源热泵机组。地源热泵系统简介及其优点如下： （1）地源热泵技术，是一种利用浅层常温土壤或岩石中的能量作为能源的先进的高效节能、无污染、低运行成本的既可供暖又可制冷的新型空调技术.地源热泵技术是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部完成热交换的装置。 （2）地源热泵利用的是可再生能源，永无枯竭地源热泵从浅层常温土壤中取热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源。 （3）高效节能，运行费用低在供暖时，地源热泵技术可将土壤中的能“搬运”至室内，其能量70％以上来自土壤，制热系数高达4.0以上，而锅炉仅为0.7-0. 9，可比锅炉节省70％以上的能源和40%一60％运行费用；制冷时要比普通空调节能40％-50％，运行费用降低40％以上。 （4）地源热泵技术可实现分户计量、可分期投资，不设室外机。由于地源热泵是分散布置在各户或各室的，它和普通家用空调一样，实行单独电费计量，克服了锅炉采暖和中央空调制冷时的分户计量难题。 2.2节能预测 采用再生能源的地源热泵空调系统，与传统的空调系统相比有着巨大的节能优势。夏季制冷工况下：与传统的空调制冷技术相比，风冷热泵型的能效比为2.5，地源热泵的能效比为5.0，节能可达到2倍；冬季制热工况下：燃气市政热力的系统的能源利用效率为65%，而地源热泵的利用效率为480%，利用效率比传统系统高7.3倍。 2.3环境影响分析 2.3.1环保效应 使用竖直地埋管地源热泵空调机组在系统中省去了冷却塔和热水锅炉系统减少了这两种设备对小区噪音的影响。 房间空调器的室外机和风冷热泵冷热水机组放置在室外，造成对环境的噪声及污染；冷却塔不仅对环境有噪声污染，而且有水分的蒸发、飞溅和飘逸影响。 2.3.2环境影响分析 （a）使用竖直地埋管地源热泵系统，如果在施工中严格按照《地源热泵系统工程技术规范》进行施工，就能够确保对周围市政管线、管网及地质情况的影响降到最小。 （b）系统全部为闭式循环，不抽取地下水；热泵的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，能够降低温室效应，有利于优化环境。 2.3.3市场需求分析 青岛市属于夏热冬冷地区，四季分明，由于受海洋气候的影响，常年湿度大，夏天闷热、冬天寒冷，室内外温差不明显，极端最高温
浅谈地源热泵节能技术 摘要：地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。 关键词：地源热泵；节能；冷源；热源； 1、前言 近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。空调作为目前改善建筑热舒适条件的工具，然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，减轻对大气环境的污染，成了暖通界人士首当其冲需要解决的问题。现阶段，在保证建筑热舒适使用功能不降低的情况下，我们应采取各种有效的技术和管理措施，把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来，对原有建筑物有计划地进行节能改造，达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的。地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳定的土壤温度，通过媒介质来获取土壤内冷（热）能量的新型装置，可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换，几乎是一种能量的“搬运”过程，因而其能量转换效率高、运营成本低。 2、地源热泵的工作原理及其节能特性 2.1地源热泵的工作原理 地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。 热泵利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外