浅谈地源热泵系统设计要点

浅谈地源热泵系统设计要点

**省建筑设计研究院郑安申

摘要浅显地介绍了常用的几种地源热泵系统形式及其特点，分析了各种地源热泵系统的适用条件和设计要点，并简单介绍了几种适合地源热泵系统的节能措施。

关键词地源热泵系统地下水源热泵系统地表水源热泵系统土壤源热泵系统抽水井回灌井垂直式土壤热交换器水平式土壤热交换器水系统变流量水环热泵系统直接供冷

前言

随着我国经济的快速持续发展，能源消耗逐年增加，大力发展太阳能、地热等可再生能源的合理利用已成为国家能源政策的重要组成部分。

近年来，地源热泵系统在空调、采暖系统冷热源设计中得到了越来越多应用。本文从地源热泵系统的常用形式、系统选择、水文地质要求、热泵机组选型、系统节能等方面，对地源热泵系统的应用设计进行探讨，供大家参考。

地源热泵系统的常用形式

所谓地源热泵系统，简单来说就是通过热泵机组蒸发器和冷凝器水侧的冬夏切换，夏季从地下提取冷量，冬季从地下提取热量，并输送给空调末端。

地源热泵系统主要分为两种形式：水源热泵系统和土壤源热泵系统，其中水源热泵系统又分为地下水源热泵系统和地表水源热泵系统。

1.1. 水源热泵系统

1.1.1. 地下水源热泵系统

地下水源热泵系统因为与机组的连接形式不同又分为开式系统和闭式系统。

开式系统是利用深水泵将地下水直接供应到每台热泵机组，经换热后将井水回灌至地下。虽然开式系统在适当的机组和地下水条件下是一个非常有吸引力的选择方式，但由于可能腐蚀机组和管路或导致管路阻塞，通常不建议在分散式水环热泵系统中应用。

闭式系统是将地下水和机组一次侧循环水用板式换热器隔断，板式换热器采取小温差换热。因为板式换热器可以将地下水循环管路长度缩短到最小，而机组一次侧循环水可采用经过处理的满足要求的水，可杜绝地下水对机组的腐蚀，所以闭式系统非常适用于水环热泵系统。根据地下水深度和水温的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。

地下水源热泵系统和传统的冷热源形式（电制冷机组、锅炉、直燃机组等）在可重复利用、温室效应、清洁性、运行费用等方面相比较，优点较为突出。但考虑近年国内大部分地区水资源的紧缺，地下水源热泵系统在实际运行中并不能保证地下水全部回灌，即使全部回灌也会破坏地下岩层内的压力分布，增加地质构造的不稳定性，而且地下水在抽取、回灌的过程中还是会被不同程度的污染，所以从可持续发展原则出发和为子孙后代考虑，设计人员在应用地下水源热泵系统时应作谨慎思考。

1.1.

2. 地表水源热泵系统

地表水源热泵系统是将江、湖、河流等地表水作为一个大恒温器，将多组并联的塑料管组成的热交换器布置在水面以下，换热器内流动的为热泵机组一次侧循环水。

我国东南部地区和长江中下游地区具有丰富的地表水资源，非常适用地表水源热泵系统

的运行条件。

另外，在北方地区，可以将污水处理后的二级排水作为冬季地源热泵系统热量提取对象，供给建筑物采暖热水或生活热水。

1.2. 土壤源热泵系统

土壤源热泵系统是将大地作为一个大恒温器，将多组并联的塑料管组成的热交换器水平地敷设在土壤中，或者以U形管形式垂直布置在竖井中，换热器内流动的为热泵机组一次侧循环水。在北方地区应用土壤源热泵系统时应考虑换热器内循环水的防冻。

土壤源热泵系统对工程水文地质条件的要求相对较低，仅需要足够的地面面积用来敷设水平或垂直热交换器。

系统类型选择及设计要点

在工程确定采用地源热泵系统后，首先需要根据当地的水文地质、气候和工程的占地面积等条件以及各种地源热泵形式的应用特点和影响因素来选择合适的地源热泵类型，以更好地满足项目要求。以下就每种热泵形式的适用条件和影响因素分别叙述。

2.1. 地下水源热泵系统

2.1.1. 应有足够的土地面积，以供合理地布置水井的间距，并有足够的地下水量、水质较好、有合适的开采和回灌措施，当地政府部门对地下水源热泵系统的应用无限制。

2.1.2. 必须由专业的水文地质勘察单位对项目施工地点进行水文地质勘察，勘察应采用勘测井的方式进行，并出具勘察报告书，报告书应包括以下内容：

(1) 对地下水开采和回灌的论述；

(2) 地下水压梯度和对地下水流方向和流速的判断；

(3) 对地下岩石层在安全条件下能够提供的地下水产量，水温变化，土石层的传热性，以及水质分析结果等方面的论述；

(4) 确定抽水井和回灌井的位置，以及对抽水井和回灌井的直径、深度、间距、数量、施工方法和材料的建议。

2.1.

3. 应对建筑物的冷、热负荷进行详细的逐时计算，得出最大耗热量和耗冷量，并根据水文地质勘察报告合理确定冬、夏季的运行温差，计算并确定所需的水井总流量。

2.1.4. 应根据建筑物类型、规模、高度、使用特点等因素确定采用闭式地下水系统或开式地下水系统。当建筑物层数较少、建筑物总高度较低时，可采用开式地下水系统；反之，当建筑物层数较多、建筑物总高度较高时，应采用闭式地下水系统。

2.1.5. 水井设计应由有资格的水文地质单位承担，根据确定的水井总流量和水文地质勘察报告来合理设置水井的数量、间距和供水井、回灌井的尺寸，设计应包括以下内容：每口井的预期功能和容量；水井的数量和具体定位；钻井的深度和口径；套管要求；灌浆和回填材料以及操作过程；钻井设备的要求；供水井和回灌井的互相切换。

2.2. 地表水源热泵系统

2.2.1. 项目应具有较好的地表水资源，地表水应具有足够的面积和深度，冬季时还应该有足够高的温度。

地表水的面积和深度对系统供冷性能的影响要比对供热性能的影响大。一般来讲，当水深小于9m，水体就不会因温度梯度而产生明显的竖向分层现象，其散热能力就比较小；当水深小于3m，夏季水体的温度因日晒等原因可能会高于空气的湿球温度，因此用于供冷时其散热能力并不比采用风冷冷水机组高；而在冬季地表水须保持足够高的温度以避免热交换器内的水结冰。因此，地表水源热泵系统较适合于我国长江中下游及其以南、以夏季冷负荷为主