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地源热泵是一项高效、节能、环保、可持续发展的新技术。它既不会污染地下水，也不会影响地面沉降。讨论了地源热泵家用空调系统设计中的几个关键问题，分析了该系统的设计方法和运行控制技术。

什么是地源热泵

地源热泵是一种利用地下土壤作为冷(热)源向建筑物供热、供热水和空调的技术。众所周知，地层将在明年保持相对稳定的温度。夏季，地下温度低于地面气温，但冬季高于地面气温。地源热泵利用地球的这一特性，通过地下热交换器与土壤或岩石进行热交换。地源热泵全年稳定运行，冬季供热，夏季供冷，无需其他辅助热源和冷却设备。因此，地源热泵是一项高效、节能、环保、可持续发展的新技术。它既不会污染地下水，也不会影响地面沉降。在冬天，管道中的液体提取地下热量，然后通过系统将热量引入建筑物，并储存冷能供夏天使用。在夏天，热量从建筑中提取出来，通过系统排放到地下，而热量储存起来供冬天使用。地源热泵可以全年可靠地提供高品质的冷热空气，为我们创造一个非常舒适的室内环境。因此，地源热泵空调得到了广泛的发展，特别适合作为家用中央空调的冷(热)源。

地源热泵历史悠久。美国早在上世纪初就开始研究地源热泵的性能。目前，地源热泵在美国已经成为一项成熟且完全产业化的技术。到2001年，已经安装了400，000台平台源热泵，并且仍以每年10%的稳定速度增长。在北欧，如瑞典，90%的房屋都配备了地源热泵。相对而言，我国对地源热泵的研究起步较晚，直到20世纪80年代，一些单位才开始对其进行系统研究。我国对地源热泵的探索性研究已经开始，但在如何有效降低系统初始投资、保证系统可靠运行方面一直没有突破。主要原因是大部分研究仅限于对已建立的实验系统进行性能测试，以及与传统空气源热泵的性能进行技术经济比较，从而得出地源热泵节能的一般性结论。由于缺乏对土壤中埋地换热器复杂传热传质过程的深入研究，这些结论仅适用于特定的实验系统，提供的基础数据较少，不能作为设计依据。因此，在地源热泵机组和系统的开发和设计中仍有许多问题需要解决。本文将讨论家用水-水地源热泵机组、土壤换热器以及整个空调系统的开发与设计。

地源热泵空调系统设计

地源热泵系统简介及选择

地源热泵系统循环根据其循环形式可分为闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。

封闭循环系统

封闭循环系统是指冷(热)源侧的循环水在机组室外换热器和地源换热器之间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋深150-200英尺，水平埋深4-6英尺，或者埋在池塘底部。在冬天，管道中的流体从地面吸收热量并将其带入建筑物，而在夏天，建筑物中的热能通过管道被送入地下储存。所用管道为高密度聚乙烯管道或其他防腐管道，作为运输和地源热交换器的材料。大多数源热泵冷(热)源侧热交换系统使用封闭循环。

开式循环系统

开式循环系统是指管道中的水来自湖泊、河流或竖井中的水源。交换他后

关于(冷)热源侧水流量，应由最大热增益和最大热释放量决定。埋地管道中水流量的选择取决于埋地管道循环流量的长度、埋地管道材料、管道直径、当地地源条件和机组的特性。一般来说，如果提高水流速度，可以适当提高换热系数，加强换热量，减少换热管的换热面积和耗材，但如果流速过快，会增加循环水泵的能耗。通常，优选的流速为0.65-1.5 m/s。具体的优化分析和设计可根据当地条件进行。优化设计中考虑的参数关系如下。

综合能耗N=f(长度，埋管材质Ma，管径D，地源温度te，地源热指数Ke，机组特性类型)

机组选型时，设置埋管入口温度，根据测井测量的进出口水温差计算埋管出口温度，进而确定热泵机组冬季工质的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，位于温带。不同地区的气候条件差异很大，其负荷也非常不同。因此，我们不应该照搬国外的技术成果，而应该开发适合中国气候特点的技术。

单元设计

地源热泵有多种形式，其中商业化最广泛的是蒸汽压缩热泵。对于家用地源热泵系统，以水-水系统为例，它由一台室外机和多台室内机组成。该系统可以单独调节每个空调房间，以满足每个空调房间的要求，具有较好的节能效果。变频家用地源热泵空调系统与独立新风系统相结合，是一种理想的节能、舒适的家用中央空调系统，具有广阔的发展前景。因此，其优化设计具有极其重要的价值。

传统的制冷系统设计方法是基于经验和实验。一般来说，经验设计方法简单易行，对理论知识和实验条件的依赖性相对较小。然而，经验设计方法不可避免地存在直接性、低可靠性和稳定性差的缺点，仅适用于产品的初步开发。然而，基于理论预测的优化设计技术可能是有效的。最优化方法是在所有可行方案中选择最佳方案的方法。在优化设计中，代表方案的所有自变量都是设计变量。优化方法是研究如何合理确定这些变量。然而，评估方案的指标取决于方案选择的设计变量，即指标是设计变量的函数——目标函数。在系统优化设计中，设计变量的值经常受到各种条件的限制，即约束。

变频家用地源热泵空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路系统组成。根据制冷系统的热力学理论，采用动态分配和参数关联的方法，建立系统各部分的数学模型和运行参数的动态方程，形成系统的运行参数方程，并对系统进行动态仿真。对系统的动态特性进行了仿真，为优化设计提供了依据。为了满足空调系统的节能、热舒适和良好的冷热效果，空调系统的能效比、温降(升)率和温降(升)范围应满足指标要求。因此，在优化设计中，分别选择了以能效比、温降(升)率和温降(升)幅度为目标函数的多目标优化方法。同时，考虑冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和

埋管优选由塑料管制成，因为与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能满足换热要求、价格低廉等优点。可用的管道包括高密度聚乙烯管(聚乙烯管)、铝塑管等。垂直埋管的直径也可以有不同的选择，如DN20、DN25、DN32、DN50等。垂直埋管可根据当地地质条件确定，范围为20m- 200m。确定深度时，应综合考虑占地面积、钻井设备、钻井成本和工程规模。如果表层土层很厚，钻井成本相对较低，宜采用较深的垂直埋管，反之，宜采用浅埋管。埋管间距一般在5-6米以上，应综合考虑当地地质和土壤传热。

垂直埋管换热器回填，灵敏度

垂直埋管换热器的形成是从地面向下钻至预期深度，将制作好的U型管放入孔中，然后在孔中回填不同的材料。地下换热器由所有的U形管与地面附近的水平集水管和配水管并联而成。根据不同的地质结构，回填材料可以是浇注混凝土、砂石散装材料或土壤。材料的选择应考虑项目成本、传热性能和施工便利性等因素。与实际测试相比，现浇混凝土具有最好的换热性能，但造价昂贵，施工困难，但可以与建筑物的桩基一起施工。

垂直埋管换热器的传热衰减

垂直埋管换热器中循环水的温度不断变化。夏季制冷时，由于蓄热和地温的增加，机组运行时水温不断上升，停机时水温下降。当建筑物获得最大热量时，水温上升到最高点。冬天，当供暖条件运行时，情况正好相反。随着吸收热量的地面温度下降，当建筑物损失最多热量时，热交换器中的水温达到最低点。这对于埋地管道尤其严重。设计时，应首先设定换热器埋管中循环水的最高温度和最低温度。同时，由于埋管换热器表面结垢的影响，设计中应考虑衰减。通过经济比较，设定点应该是最佳状态点。

以上是舒适的100对地源热泵家用空调系统设计中的几个关键问题。讨论了系统选型、热泵和地埋管换热器，分析了系统的设计方法和运行控制技术。