土壤源热泵地埋管系统知识

土壤源热泵

土壤源热泵系统是以大地作为热源，热泵的换热器埋于土壤中与大地进行冷热交换的地源热泵系统。土壤源热泵系统采用闭式环路，将大地作为蓄能体，具有环保和节能的双重效益。国际上将地下蓄能技术和高效热泵同时引入21世纪最有发展前途的50项新技术之中。世界能源理事会（WEC）、国际能源署（IEA）、国际制冷学会（IIR）、美国布鲁克海文国家实验室（BNL）等国际著名组织及所从事热泵的研究者普遍认为：在目前和将来土壤耦合热泵是最有前途的节能装置和系统之一，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一，也是浅层地能利用的重要形式。1998年美国暖通空调工程师学会（ASHRAE）的技术奖也授予了土壤耦合热泵系统。

土壤源热泵系统的优点：

1.土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，

这种温度特性使土壤耦合热泵系统比传统的空调运行效率要高40％～60％，节能效果明显；

2.土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出（或放入）的能量可以分别在夏、冬季得到自然补偿；

3.当室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此，和空气源热泵相比，它可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提高夏季的供冷量和冬季的供热量；

4.地下埋管换热器无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失，节省了空气源热泵结霜、融霜所消耗的3％～30％的能耗；

5.地下埋管换热器在地下吸热与放热，减少了空调系统对地面空气的热、噪声污染。同时，与空气源热泵相比，相对减少了40％以上的污染物排放量。与电供暖相比，相对减少了70％以上的污染物排放量；

6.运行费用低。设计安装良好的地源热泵系统平均来说，可以节约用户30％～40％的供热制冷空调的运行维护费用。

土壤源热泵系统的缺点：

1. 地下埋管换热器的供热性能受土壤性质影响较大，长期连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；

2. 土壤的热传导率小而使埋管换热器的持续吸热率仅为20～40W/M，一般吸热率为25 W/M左右。因此，当换热量较大时，埋管换热器的占地面积较大；

3. 地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中的1/3，在胶状土中仅为它的1/10；

4. 初投资较高。仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的20％～30％左右。土壤热物性

土壤的热物性对地源热泵系统的性能影响较大。热物性是土壤源热泵系统设计和研究过程诸多环节中最基本、最重要的参数，他直接和土壤源热泵系统的埋地换热器的面积和运行参数有关，是计算有关地表层中的能量平衡、土壤中的蓄能量和温度分布特征等所必需的基本参数。

据有关研究表明，干燥土壤的地源热泵的性能系数要比潮湿土壤的性能系数

低35％，当土壤含水量低于15％时，随着含水量的降低，热泵的循环性能系数将迅速下降。土壤含水量在25％以上，土壤源热泵的性能系数提高的趋势减缓。土壤含水量从50％增加到100％，土壤源热泵的性能系数仅增加1.5%左右。

土壤属多孔介质，描述其热物性的基本参数主要包括：

1.土壤的密度ρ（kg/m3）――密度分为干密度和湿密度；

2.含水率ω（％）――土壤中水的含量百分数；

3.饱和度Sr――土壤中水的饱和程度，背水充满空隙的土被称为饱和土；

4.比热容cp――土壤的比热容主要和土壤的水分含量和土壤的矿物组成有关系。土壤水分越大，则比热容也越大，温度变化越缓慢；反之，土壤水分越小，则比热容也越小，温度变化就越快。砂性土壤的比热容比粘性土壤小，因此，砂性土壤的温升较快，粘性土壤温升较慢。

5.热导率λ[W/(m℃)]――土壤的热导率是土壤最为重要的热物性参数之一。热导率和土壤的密度、含水率、孔隙度和饱和度有关。对土壤热导率起决定作用的是土壤的密度和含水率。

地埋管换热器

土壤源热泵的地埋管类型：

土壤源热泵按地下埋管形式不同可分为水平埋

管形式、垂直埋管形式两种类型：

(1)水平埋管形式：在建筑周围采用水平方式埋设

地埋管换热器，这种方式普遍使用于采暖。水平埋管

系统有单层和双层两种形式，可采用U形、蛇形、单

槽单管、单槽多管等形式。水平埋管适用于制冷/采暖

量较少，而建筑周围又有较大富裕空地的场合。

(2)垂直埋管热泵系统有浅埋和深埋两种。在垂直

埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受地表

温度影响，因此能确保冬季散热与夏季得热间土壤的

热平衡。平衡的方法可以采用集热器，在夏季集中热

量并送入地下加热土壤，或使热泵反转在夏季为土壤

加热，以备冬季之用。垂直埋管系统具有单位土地面

积换热量大

垂直埋管土壤耦合热泵系统较水平系统有许多优点：

☆占地面积小；

☆土壤的温度和热特性变化小；

☆需要的管材少；

☆泵耗能低；

☆能效比高；

地埋管的材质：

土壤源热泵地埋管换热

器采用化学稳定性好、耐腐

蚀、热导率大、流动阻力小

的塑料管材及管件。目前，

被应用于土壤源热泵地埋管

的管材主要有聚乙稀（PE80

或PE100）管和聚丁烯（PB）

管，且管材和管件应为相同

材料。聚氯乙稀（PVC）管由于热膨胀和土壤移位压力的能力较弱，不宜在地埋管换热器中采用。一般情况下，地埋管换热器一经埋入土壤中，就无法维护，因此在工程选材上，应采用符合国家标准，质量可靠的产品。管材的公称压力应符合1.0Mpa以上的国标规定。