1概述
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。因此，目前国内空调行业已经引起了广泛关注，并希望尽快应用这一新技术。目前，设计人员还没有关于地源热泵技术的设计手册，但是在使用地源热泵技术之前，我们不能等待设计手册的出版。从实用角度出发，深入探讨了中小型地源热泵空调工程的设计流程，供同行讨论。
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将集中讨论地下换热器的相关问题。
2地源热泵地下换热器形式
众所周知，热泵机组的热源包括空气源、水源、土壤源等。
地源热泵空调又称地源热泵空调，是将管道埋在地下作为热交换器。这些管道与热泵单元连接以形成闭环。管道中的液体通过循环流动，以将热泵单元的冷凝热分散到地面中(制冷条件)，或者从地面吸收热量，以向热泵单元供热，从而向建筑物供热(制热条件)。
地源热泵换热器有多种形式，如水平埋管、垂直埋管等。这两种埋地管道有各自的特点和应用环境。垂直埋管在我国的使用显示出其优点:节省土地面积，换热性能好。它可以安装在建筑地基、道路、绿地、广场、操场等下面。而不影响上部的使用功能。甚至可以在建筑物的桩基中安装埋管，以充分利用可用的土地面积。
3垂直埋管换热器类型
最常用的垂直埋管换热器由垂直埋在地下的U形管组成。
3.1垂直埋管深度
垂直埋管可深可浅，视当地地质条件而定，如20m、30m.高达200米以下。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。例如，天津地区表层土层很厚，钻井成本相对较低，因此宜采用较深的垂直埋管，因为该埋管成本低，换热性能好，可节约土地。
3.2垂直埋管材料
埋管材料最好是塑料管，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等。
3.3垂直埋管换热器的孔径和回填材料
垂直埋管换热器的形成是从地面向下钻至预期深度，将预制好的U形管放入孔中，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。
根据不同的地质构造，钻孔直径可为ф100、ф150、ф200或ф300。天津地区表层土层很厚，为方便钻孔和下管，常采用ф300钻孔直径。
回填材料可以是浇注混凝土、砂石散装回填或土壤回填。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。回填砂或砾石换热效果好，施工容易，成本低，可广泛应用。
4立式埋管换热器中循环水温度的设定
在立式埋管换热器中流动的循环水温度不断变化。当夏季降温时，由于蓄热和地温的增加，水变得温和
4.1热泵机组在夏季向终端系统供应冷水。供回水设计温度为7-12℃，与普通冷水机组相同。进入U型管的埋管内循环水最高温度为37℃，与冷却塔入口温度相同。
4.2冬季热泵机组对末端系统的供水温度不同于常规空调。在满足供热的条件下，应尽可能降低热水温度，以改善热泵机组的运行条件，降低压缩比，提高cop值，降低能耗。
我们知道在一般建筑中，风机盘管的制热能力大于制冷能力，而夏季的制冷负荷大于冬季的制热负荷，所以风机盘管的选择是基于夏季制冷负荷的选择和冬季制热负荷的校核。当地源热泵空调用于冬季供暖时，根据冬季实际热负荷，通过允许风机盘管机组在冬季满负荷运行，可以反算供暖水的温度，该温度低于常规空调60度的供水温度(供水约40度)。该温度设定为热泵机组的冬季供水温度。供回水温差为7 ~ 10℃。
冬季埋管循环水的进水温度比不冻水、不离开安全室要好3-4℃。当然，为了使地面热交换器获得更多的热量，循环水和地面之间的温差可以增加以传递热量。然而，地球的温度是恒定的，所以只有循环水的温度才能降低到0℃以下。为此，循环水必须使用防冻剂，如乙二醇溶液或盐水溶液。然而，这将增加项目成本并增加对设备的腐蚀。这在严寒地区是必要的，但水可以满足中国北方项目的要求，防冻剂是不必要的。
5热交换面积和综合传热系数
5.1热交换面积
一般热交换器热交换面积计算公式为:
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………K——传热系数w/m？摄氏度。
δt-对数温差。
5.2综合传热系数
地下换热器用上述公式计算不方便，因为很难确定其换热面积。
垂直埋管换热器可假定为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算相对简单方便。
此处，单位时间内通过单位长度换热管传递的热量定义为地下换热器中流体介质与地球初始温度每相差1℃时的综合传热系数K。式中
K--综合传热系数w/m；
Q—-热交换器单位时间的热交换，Q=C m(t输入-t输出)w；
L—-换热管的有效长度m；
TP—-流体介质的平均温度，℃；
入口-u形管换热器入口温度；U型管换热器出口温度
T；
c-水比热4.180KJ/Kg？k .
m-水的质量流量kg/s；
TD-地热温度。
地温是一个恒定值，可以通过测井测量。根据有关资料，地下100米左右的地温是当地年平均气温加上4℃左右。天津年平均气温为12.2℃，天津地下100米左右的实测地温约为16℃，基本符合上述规定。
影响垂直埋管综合传热系数的因素包括:地理位置、地质结构、埋管深度、埋管材质和管径、钻孔直径和回填材料、管内水流量、热泵运行方式(连续运行或不连续运行)。
综合传热系数K可通过测井测量。从公式(2)可以看出，综合传热系数可以通过制作一个与地面钻孔和预期工程应用完全相同的U形垂直埋管，人工制作冷热源，引入冷热水，测量各种参数来计算
6.1.4根据建筑空调的夏季冷负荷、蒸发温度和冷凝温度，以及冬季供暖负荷和冬季机组的蒸发温度和冷凝温度，可以进行热泵机组的选型设计，或者将参数提供给制造热泵机组的制造商。
6.1.5确定热泵机组的类型(活塞式机、螺杆式机、涡旋压缩机等。)，找出或计算机组在夏季最高埋管水温和冬季最低埋管水温工况下的COP值。
6.2计算夏季总热量释放和冬季总热量吸收
6.2.1夏季垂直埋管换热器总热量释放等于建筑物总冷负荷加上埋管最高水温时机组消耗的功率(夏季冷负荷除以埋管最高水温时机组消耗的功率等于COP值)。
6.2.2垂直埋管换热器在冬季的总吸热等于建筑物的总热负荷减去埋管最低水温时机组消耗的功率(当冬季热负荷除以埋管最低水温时机组消耗的功率等于COP值)。
6.3垂直埋管总长度计算
6.3.1夏季垂直埋管总长度计算
①夏季热交换温差DTX8C
DTX=Tx-Td...................
Td ü地热8C。
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
qx=Kx？DTX…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
③夏季LXM垂直埋管换热器埋管总长度–安全系数，1.1-1.2。
6.3.2冬季垂直埋管总长度的计算
① DTD 8C
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
②冬季垂直埋管每米散热量qD W/m
qD=KD？在冬季，垂直埋管换热器的埋管总长度为1.1-1.2。
6.3.3确定垂直埋管换热器埋管总长度
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
6.4计算垂直埋管数量并确定布置形式
6.4.1计算公式中的垂直埋管数量
:⑼型
N-U垂直埋管；
H——垂直埋管设计的有效深度m；
L—-埋管总长度m.
6.4.2垂直埋管可结合工程现场布置成直线、L形或矩阵式。根据试验结果分析，U型垂直埋管间距宜为5-6m。
6.5垂直埋管内水流速度的测定及水泵选型
6.5.1水流速度的测定
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
L—-埋管总长度m.
环保无燃烧污染，水资源不接触制冷剂，水污染无燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)有燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)无燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)在夏季。
注:一定数量的水资源机房需要配备自动安全报警系统，需要设置两套机组和人员。复杂锅炉房的运行和维护需要安装一个自动安全报警装置和两套装置及人员。运行维护复杂
具有以下优点:
(1)属于可再生能源利用技术
地源热泵是一种利用地表浅层地热资源(通常深度不到400米)作为冷热源进行能量转换的供热空调系统。地表浅层地热资源可称为地能，是指通过吸收太阳能和地热能储存在地表土壤、地下水或河流湖泊中的低温热能。地球表面的浅层是一个巨大的太阳能收集器，它收集了太阳向地球释放的47%的能量，是人类每年使用能量的500多倍。它不受地区或资源的限制。它非常普遍，无处不在。这种能量储存在地球表面的浅层，类似于无限的可再生能源，使地球能源成为一种清洁的可再生能源。
(2)是一项经济有效的节能技术
地面能源或浅层地热资源的温度全年相对稳定。冬季高于环境空气温度，夏季低于环境空气温度。它是一个很好的热泵冷热源。这种温度特性使得地源热泵的运行效率比传统空调系统高40%，从而节约了约40%的能源和运行成本。此外，恒定的低能耗温度使热泵机组的运行更加可靠和稳定，也保证了系统的效率和经济性。
根据美国环境保护局(EPA)的估计，一个设计和安装良好的地源热泵平均可以为用户节省30% ~ 40%的供暖、制冷和空调运行成本。
(3)稳定的操作可归因于全年相对稳定的地层温度。它的温度范围比空气的波动小得多，是一个很好的冷热源。同时，由于温度的恒定，系统运行更加可靠和稳定，也保证了系统的效率和经济性。
(4)显著的环境效益
地源热泵的污染物排放量相当于比空气源热泵减少40%以上，比电加热减少70%。如果与其他节能措施相结合，节能减排将更加明显。虽然也使用制冷剂，但与传统空调设备相比，加注量减少了25%。这是一个独立的系统，即该装置可以在工厂车间预先独立和密封，因此制冷剂泄漏的可能性大大降低。该装置运行无污染，可建在居民区，不燃烧，无排烟；没有废物，没有堆放燃料废物的地方，也不需要远距离传热，这可以大大改善其他空调模式的CO2排放。
(5)高舒适度
由于地源热泵系统提供更稳定的制冷和制热，因此停机和启动的频率以及空气过热和过冷的峰值都降低了。该系统更容易适应冷负荷和热负荷的分区。
(6)一机多用，适用范围广。
地源热泵系统可以提供供暖、空调和生活热水。一机多用，一个系统可以替代原有的两套锅炉和空调设备或系统。可应用于酒店、商场、办公楼、学校等建筑，更适用于别墅的供暖和空调。
(7)自动运行
地源热泵机组，工作条件稳定，系统设计简单，组件少，机组运行简单*，维护成本低；高度金
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1概述
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。因此，目前国内空调行业已经引起了广泛关注，并希望尽快应用这一新技术。目前，设计人员还没有关于地源热泵技术的设计手册，但是在使用地源热泵技术之前，我们不能等待设计手册的出版。从实用角度出发，深入探讨了中小型地源热泵空调工程的设计流程，供同行讨论。
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将集中讨论地下换热器的相关问题。
2地源热泵地下换热器形式
众所周知，热泵机组的热源包括空气源、水源、土壤源等。
地源热泵空调又称地源热泵空调，是将管道埋在地下作为热交换器。这些管道与热泵单元连接以形成闭环。管道中的液体通过循环流动，以将热泵单元的冷凝热分散到地面中(制冷条件)，或者从地面吸收热量，以向热泵单元供热，从而向建筑物供热(制热条件)。
地源热泵换热器有多种形式，如水平埋管、垂直埋管等。这两种埋地管道有各自的特点和应用环境。垂直埋管在我国的使用显示出其优点:节省土地面积，换热性能好。它可以安装在建筑地基、道路、绿地、广场、操场等下面。而不影响上部的使用功能。甚至可以在建筑物的桩基中安装埋管，以充分利用可用的土地面积。
3垂直埋管换热器类型
最常用的垂直埋管换热器由垂直埋在地下的U形管组成。
3.1垂直埋管深度
垂直埋管可深可浅，视当地地质条件而定，如20m、30m.高达200米以下。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。例如，天津地区表层土层很厚，钻井成本相对较低，因此宜采用较深的垂直埋管，因为该埋管成本低，换热性能好，可节约土地。
3.2垂直埋管材料
埋管材料最好是塑料管，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等。
3.3垂直埋管换热器的孔径和回填材料
垂直埋管换热器的形成是从地面向下钻至预期深度，将预制好的U形管放入孔中，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。
根据不同的地质构造，钻孔直径可为ф100、ф150、ф200或ф300。天津地区表层土层很厚，为方便钻孔和下管，常采用ф300钻孔直径。
回填材料可以是浇注混凝土、砂石散装回填或土壤回填。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。回填砂或砾石换热效果好，施工容易，成本低，可广泛应用。
4立式埋管换热器中循环水温度的设定
在立式埋管换热器中流动的循环水温度不断变化。当夏季降温时，由于蓄热和地温的增加，水变得温和
4.1热泵机组在夏季向终端系统供应冷水。供回水设计温度为7-12℃，与普通冷水机组相同。进入U型管的埋管内循环水最高温度为37℃，与冷却塔入口温度相同。
4.2冬季热泵机组对末端系统的供水温度不同于常规空调。在满足供热的条件下，应尽可能降低热水温度，以改善热泵机组的运行条件，降低压缩比，提高cop值，降低能耗。
我们知道在一般建筑中，风机盘管的制热能力大于制冷能力，而夏季的制冷负荷大于冬季的制热负荷，所以风机盘管的选择是基于夏季制冷负荷的选择和冬季制热负荷的校核。当地源热泵空调用于冬季供暖时，根据冬季实际热负荷，通过允许风机盘管机组在冬季满负荷运行，可以反算供暖水的温度，该温度低于常规空调60度的供水温度(供水约40度)。该温度设定为热泵机组的冬季供水温度。供回水温差为7 ~ 10℃。
冬季埋管循环水的进水温度比不冻水、不离开安全室要好3-4℃。当然，为了使地面热交换器获得更多的热量，循环水和地面之间的温差可以增加以传递热量。然而，地球的温度是恒定的，所以只有循环水的温度才能降低到0℃以下。为此，循环水必须使用防冻剂，如乙二醇溶液或盐水溶液。然而，这将增加项目成本并增加对设备的腐蚀。这在严寒地区是必要的，但水可以满足中国北方项目的要求，防冻剂是不必要的。
5热交换面积和综合传热系数
5.1热交换面积
一般热交换器热交换面积计算公式为:
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………K——传热系数w/m？摄氏度。
δt-对数温差。
5.2综合传热系数
地下换热器用上述公式计算不方便，因为很难确定其换热面积。
垂直埋管换热器可假定为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算相对简单方便。
此处，单位时间内通过单位长度换热管传递的热量定义为地下换热器中流体介质与地球初始温度每相差1℃时的综合传热系数K。式中
K--综合传热系数w/m；
Q—-热交换器单位时间的热交换，Q=C m(t输入-t输出)w；
L—-换热管的有效长度m；
TP—-流体介质的平均温度，℃；
入口-u形管换热器入口温度；U型管换热器出口温度
T；
c-水比热4.180KJ/Kg？k .
m-水的质量流量kg/s；
TD-地热温度。
地温是一个恒定值，可以通过测井测量。根据有关资料，地下100米左右的地温是当地年平均气温加上4℃左右。天津年平均气温为12.2℃，天津地下100米左右的实测地温约为16℃，基本符合上述规定。
影响垂直埋管综合传热系数的因素包括:地理位置、地质结构、埋管深度、埋管材质和管径、钻孔直径和回填材料、管内水流量、热泵运行方式(连续运行或不连续运行)。
综合传热系数K可通过测井测量。从公式(2)可以看出，综合传热系数可以通过制作一个与地面钻孔和预期工程应用完全相同的U形垂直埋管，人工制作冷热源，引入冷热水，测量各种参数来计算
6.1.4根据建筑空调的夏季冷负荷、蒸发温度和冷凝温度，以及冬季供暖负荷和冬季机组的蒸发温度和冷凝温度，可以进行热泵机组的选型设计，或者将参数提供给制造热泵机组的制造商。
6.1.5确定热泵机组的类型(活塞式机、螺杆式机、涡旋压缩机等。)，找出或计算机组在夏季最高埋管水温和冬季最低埋管水温工况下的COP值。
6.2计算夏季总热量释放和冬季总热量吸收
6.2.1夏季垂直埋管换热器总热量释放等于建筑物总冷负荷加上埋管最高水温时机组消耗的功率(夏季冷负荷除以埋管最高水温时机组消耗的功率等于COP值)。
6.2.2垂直埋管换热器在冬季的总吸热等于建筑物的总热负荷减去埋管最低水温时机组消耗的功率(当冬季热负荷除以埋管最低水温时机组消耗的功率等于COP值)。
6.3垂直埋管总长度计算
6.3.1夏季垂直埋管总长度计算
①夏季热交换温差DTX8C
DTX=Tx-Td...................
Td ü地热8C。
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
qx=Kx？DTX…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
③夏季LXM垂直埋管换热器埋管总长度–安全系数，1.1-1.2。
6.3.2冬季垂直埋管总长度的计算
① DTD 8C
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
②冬季垂直埋管每米散热量qD W/m
qD=KD？在冬季，垂直埋管换热器的埋管总长度为1.1-1.2。
6.3.3确定垂直埋管换热器埋管总长度
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
6.4计算垂直埋管数量并确定布置形式
6.4.1计算公式中的垂直埋管数量
:⑼型
N-U垂直埋管；
H——垂直埋管设计的有效深度m；
L—-埋管总长度m.
6.4.2垂直埋管可结合工程现场布置成直线、L形或矩阵式。根据试验结果分析，U型垂直埋管间距宜为5-6m。
6.5垂直埋管内水流速度的测定及水泵选型
6.5.1水流速度的测定
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
②夏季垂直埋管每米散热量qx W/m
L—-埋管总长度m.
环保无燃烧污染，水资源不接触制冷剂，水污染无燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)有燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)无燃烧污染，有一定的噪声和水霉菌污染(冷却塔)在夏季。
注:一定数量的水资源机房需要配备自动安全报警系统，需要设置两套机组和人员。复杂锅炉房的运行和维护需要安装一个自动安全报警装置和两套装置及人员。运行维护复杂
具有以下优点:
(1)属于可再生能源利用技术
地源热泵是一种利用地表浅层地热资源(通常深度不到400米)作为冷热源进行能量转换的供热空调系统。地表浅层地热资源可称为地能，是指通过吸收太阳能和地热能储存在地表土壤、地下水或河流湖泊中的低温热能。地球表面的浅层是一个巨大的太阳能收集器，它收集了太阳向地球释放的47%的能量，是人类每年使用能量的500多倍。它不受地区或资源的限制。它非常普遍，无处不在。这种能量储存在地球表面的浅层，类似于无限的可再生能源，使地球能源成为一种清洁的可再生能源。
(2)是一项经济有效的节能技术
地面能源或浅层地热资源的温度全年相对稳定。冬季高于环境空气温度，夏季低于环境空气温度。它是一个很好的热泵冷热源。这种温度特性使得地源热泵的运行效率比传统空调系统高40%，从而节约了约40%的能源和运行成本。此外，恒定的低能耗温度使热泵机组的运行更加可靠和稳定，也保证了系统的效率和经济性。
根据美国环境保护局(EPA)的估计，一个设计和安装良好的地源热泵平均可以为用户节省30% ~ 40%的供暖、制冷和空调运行成本。
(3)稳定的操作可归因于全年相对稳定的地层温度。它的温度范围比空气的波动小得多，是一个很好的冷热源。同时，由于温度的恒定，系统运行更加可靠和稳定，也保证了系统的效率和经济性。
(4)显著的环境效益
地源热泵的污染物排放量相当于比空气源热泵减少40%以上，比电加热减少70%。如果与其他节能措施相结合，节能减排将更加明显。虽然也使用制冷剂，但与传统空调设备相比，加注量减少了25%。这是一个独立的系统，即该装置可以在工厂车间预先独立和密封，因此制冷剂泄漏的可能性大大降低。该装置运行无污染，可建在居民区，不燃烧，无排烟；没有废物，没有堆放燃料废物的地方，也不需要远距离传热，这可以大大改善其他空调模式的CO2排放。
(5)高舒适度
由于地源热泵系统提供更稳定的制冷和制热，因此停机和启动的频率以及空气过热和过冷的峰值都降低了。该系统更容易适应冷负荷和热负荷的分区。
(6)一机多用，适用范围广。
地源热泵系统可以提供供暖、空调和生活热水。一机多用，一个系统可以替代原有的两套锅炉和空调设备或系统。可应用于酒店、商场、办公楼、学校等建筑，更适用于别墅的供暖和空调。
(7)自动运行
地源热泵机组，工作条件稳定，系统设计简单，组件少，机组运行简单*，维护成本低；高度金
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