目錄摘要1地然熱泵介紹11.1熱源31.2組成部分3 1. 3主要特點(diǎn)31. 4形式41.5可再生性51.6高效節(jié)能51.7優(yōu)點(diǎn)71.8工作原理8熱泵原理9熱泵分類91.9系統(tǒng)類型101.10應(yīng)用方式111.11制冷原理121.12制熱原理121.13存在問題122土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟 13 2.1建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算 14 2.2地下管道設(shè)計(jì)14 2.21選擇管材15 2.22確定管徑16 2.23確定豎井管 16 2.24確定豎井?dāng)?shù)目及間距 17 2.25計(jì)算管道壓力損失 17 2.26水泵選型 17 2.27校核管材承壓力 18 3其它 18 4設(shè)計(jì)舉例19 4.1設(shè)計(jì)參數(shù) 20 4.1.1室外設(shè)計(jì)參數(shù)21 4.1.2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)21 4.2計(jì)算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備 21 4.3計(jì)算地下負(fù)荷 22 4.4確定管材及埋管管徑 22 4.5確定豎井埋管管長(zhǎng) 22 4.6確定豎井?dāng)?shù)目及間距22 4.7計(jì)算地埋管壓力損失 22 4.8校核管材承壓能力225參考文獻(xiàn) 23 摘要 隨著我國(guó)建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)1。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。 土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。 地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機(jī)組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。 地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國(guó)外（如美國(guó)、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國(guó)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，本文進(jìn)行了初步探討，以供參考。地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4.4kWh以上的熱量或冷量。1地然熱泵的介紹地源熱泵的概念，最早在1912 年由瑞士的專家提出，而這項(xiàng)技術(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。北歐國(guó)家主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重冬夏聯(lián)供。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義 1.1熱源地源熱泵已成功利用地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業(yè)尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源作為地源熱泵的冷、熱源。 1.2組成部分地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。 其中地源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水水式或水空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。 3主要特點(diǎn)（1）地源熱泵技術(shù)屬可再生能源利用技術(shù)。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400米深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。（2）地源熱泵屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。其地源熱泵的COP值達(dá)到了4以上，也就是說消耗1KWh的能量，用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量。1（3）地源熱泵環(huán)境效益顯著。其裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。（4）地源熱泵一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、水力平衡分配器（5）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低。地源熱泵的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，從而避免了室外的惡劣氣候，機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；自動(dòng)控制程度高，可無人值守。由以上的特點(diǎn)可以看出，地源熱泵的技術(shù)以后可得到廣泛的應(yīng)用。然而，地源熱泵要實(shí)現(xiàn)制冷制熱，則需要給它提供動(dòng)力來輸送制冷制熱管道中的循環(huán)水，傳統(tǒng)機(jī)房可提供動(dòng)力，但施工起來比較復(fù)雜，難度高，周期長(zhǎng)，采購(gòu)的材料種類多，需庫存，漏水隱患大等等問題，針對(duì)此，市場(chǎng)上開發(fā)了一款新型的動(dòng)力輸配系統(tǒng)設(shè)備-節(jié)能空調(diào)機(jī)房。此機(jī)房系統(tǒng)是將傳統(tǒng)機(jī)房中的所有部件進(jìn)行集成模塊化，實(shí)行一體化安裝的模式。不僅在施工難度上大大降低了，而且無需庫存，漏水隱患大大降低了，還能與主機(jī)進(jìn)行無限聯(lián)動(dòng)等等，由此可以看出，節(jié)能空調(diào)機(jī)房實(shí)為一款為暖通行業(yè)提供一整套的解決方案.總而言之，節(jié)能空調(diào)機(jī)房、水力平衡分配器、多功能水箱與地源熱泵的結(jié)合為整個(gè)暖通系統(tǒng)增加亮點(diǎn)，同時(shí)在安裝上便捷了很多，施工時(shí)間、采購(gòu)周期都大大縮短了，人工成本也將低了等等。由此可見節(jié)能空調(diào)機(jī)房與地源熱泵的配合是未來暖通行業(yè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。 4形式地源熱泵水源/地源熱泵有開式和閉式兩種。開式系統(tǒng)：是直接利用水源進(jìn)行熱量傳遞的熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)需配備防砂堵，防結(jié)垢、水質(zhì)凈化等裝置。閉式系統(tǒng)：是在深埋于地下的封閉塑料管內(nèi)，注入防凍液，通過換熱器與水或土壤交換能量的封閉系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)不受地下水位、水質(zhì)等因素影響。1、垂直埋管-深層土壤垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深處，一組或多組管與熱泵機(jī)組相連，封閉的塑料管內(nèi)的防凍液將熱能傳送給熱泵，然后由熱泵轉(zhuǎn)化為建筑物所需的暖氣和熱水。垂直埋管是地源熱泵系統(tǒng)的主要方式，得到各個(gè)國(guó)家的政府部門大力支持。2、水平埋管-大地表層在地下2米深處水平放置塑料管，塑料管內(nèi)注滿防凍的液體，并與熱泵相連。水平埋管占地面積大，土方開挖量大，而且地下?lián)Q熱器受地表氣候變化的影響。3、地表水江、河、湖、海的水以及深井水統(tǒng)稱地表水。地源熱泵可以從地表水中提取熱量或冷量，達(dá)到制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統(tǒng)造價(jià)低，運(yùn)行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和國(guó)家政策（如取深井水）的限制。 1.5可再生性地源熱泵是一種利用土壤所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。地表土壤和水體是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，比人類每年利用的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量）；它又是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散相對(duì)的平衡，地源熱泵技術(shù)的成功使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為現(xiàn)實(shí)。 1.6高效節(jié)能地源熱泵機(jī)組利用土壤或水體溫度冬季為12-22，溫度比環(huán)境空氣溫度表一高，熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高；土壤或水體溫度夏季為18-32，溫度比環(huán)境空氣溫度低，制冷系統(tǒng)冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率大大提高，可以節(jié)約30-40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用，1KW的電能可以得到4KW以上的熱量或5KW以上冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或7090%的燃料內(nèi)能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為1025，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.54.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普表二通中央空調(diào)的5060%。因此，近十幾年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國(guó)、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國(guó)家取得了較快的發(fā)展，中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，可以預(yù)計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。表一：地源熱泵與其它加熱方式相比的能源消耗情況比較：比較后可得出地源熱泵是所有加熱方式中最節(jié)約能源的。表三表二：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)各方面的特點(diǎn)相比：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在各方面都比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)秀。表三：300平米別墅，供暖季供暖和生活熱水運(yùn)行費(fèi)用與其它供暖方式相比：注：表三研究對(duì)象為北京的一套高檔別墅，面積為300平米。各種價(jià)格參數(shù)取自市政府相關(guān)部門發(fā)布的2004年度北京能源利用報(bào)告，以及2006年度北京能源利用報(bào)告，2個(gè)年度的能源價(jià)格變動(dòng)較大。本表按用戶每天運(yùn)行15小時(shí)，一個(gè)采暖季計(jì)算。 1.7優(yōu)點(diǎn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著地源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，不消耗水也不污染水，不需要鍋爐，不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，環(huán)保效益顯著。地源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比也可以減少40%以上；與電供暖相比可以減少70%以上，它的制熱系統(tǒng)比燃?xì)忮仩t的效率平均提高近50%，比燃?xì)忮仩t的效率高出了75%。一機(jī)多用，應(yīng)用廣泛地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)制冷，還可提供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物。地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量的能量，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱、供冷、供生活用水的要求，減少了設(shè)備的初投資，地源熱泵可應(yīng)用于賓館、居住小區(qū)、公寓、廠房、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的地源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。維護(hù)費(fèi)用低并可無人值守地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，其系統(tǒng)不是埋在地下就是安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，機(jī)組緊湊、節(jié)省空間，也可免遭損壞，更加可靠，延長(zhǎng)壽命。自動(dòng)控制程度高，可無人值守、遠(yuǎn)程管理，無需雇傭人員看管。地源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)污染小地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少38%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，真正的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排節(jié)能減排是減少能源浪費(fèi)和降低廢氣排放更多。維護(hù)簡(jiǎn)單地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長(zhǎng)壽命。壽命長(zhǎng)地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達(dá)50年,要比普通空調(diào)高35年使用壽命。維持生態(tài)環(huán)境平衡地源熱泵夏天把室內(nèi)的熱量排到地下，冬天把地下的熱量取出來供室內(nèi)使用，相對(duì)來說，向環(huán)境排放更少的能量，維持生態(tài)環(huán)境的平衡。節(jié)省空間沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設(shè)備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調(diào)”。被認(rèn)為是目前可使用的對(duì)環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論嚴(yán)寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應(yīng)用。可廣闊應(yīng)用在辦公樓、賓館、學(xué)校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場(chǎng)、別墅、住宅等領(lǐng)域。 1.8工作原理在自然界中，水總是地源熱泵系統(tǒng)原理由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。人們可以用水泵把水從低處抽到高處，實(shí)現(xiàn)水由低處向高處流動(dòng)，熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，工作時(shí)它本身消耗很少一部分電能，卻能從環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍于電能的裝置，提升溫度進(jìn)行利用，這也是熱泵節(jié)能的原因。地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱源對(duì)建筑物進(jìn)行冬暖夏涼的空調(diào)技術(shù)，地源熱泵只是在大地和室內(nèi)之間“轉(zhuǎn)移”能量。利用極小的電力來維持室內(nèi)所需要的溫度。在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內(nèi)。在夏天，過程相反，室內(nèi)的熱量被熱泵轉(zhuǎn)移到土壤或水中，使室內(nèi)得到?jīng)鏊目諝狻６叵芦@得的能量將在冬季得到利用。如此周而復(fù)始，將建筑空間和大自然聯(lián)成一體。以最小的低價(jià)獲取了最舒適的生活環(huán)境。熱泵原理熱泵機(jī)組裝置主要有：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態(tài)工質(zhì)(制冷劑或冷媒)不斷完成：蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量） 壓縮冷凝（放出熱量）節(jié)流再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。 壓縮機(jī)(Compressor)：起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器(Evaporator)：是輸出冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的； 冷凝器(Condenser)：是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的； 膨脹閥(Expansion Valve)或節(jié)流閥(Throttle)：對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的功（電能）起到補(bǔ)償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復(fù)地進(jìn)行循環(huán)。熱泵分類熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發(fā)器則從環(huán)境中吸熱，此時(shí)從環(huán)境取熱的對(duì)象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱，此時(shí)向環(huán)境排熱的對(duì)象稱為冷源。蒸發(fā)器冷凝器根據(jù)循環(huán)工質(zhì)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。 熱泵根據(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，可分為：水水式，水空氣式，空氣水式，和空氣空氣式共四類。 利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且其安裝和使用都很方便，應(yīng)用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差別，在我國(guó)典型應(yīng)用范圍是長(zhǎng)江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，普通空氣源熱泵不僅運(yùn)行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因?yàn)榇嬖诮Y(jié)霜問題，效率低下、新出了一地源熱泵供暖原理圖款超低溫空氣源熱泵專門針對(duì)華北地區(qū)的，超低溫空氣源熱泵穩(wěn)定性好，效率高，具有高效除霜功能。 利用水或地?zé)嶙骼錈嵩吹臒岜茫Q之為地源熱泵。水和地?zé)崾且环N優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般地源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但地源熱泵的應(yīng)用常受到水源或地?zé)岬南拗啤５卦礋岜孟到y(tǒng)按其循環(huán)形式可分為：閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和混合循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于閉式循環(huán)系統(tǒng)，大部分地下?lián)Q熱器是封閉循環(huán)，所用管道為高密度聚乙烯管。管道可以通過垂直井埋入地下150200英尺深，或水平埋入地下46英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，而在夏天則是將建筑物內(nèi)的熱能通過管道送入地下儲(chǔ)存；對(duì)于開式循環(huán)系統(tǒng)，其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環(huán)相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點(diǎn)；對(duì)于混合循環(huán)系統(tǒng),地下?lián)Q熱器一般按熱負(fù)荷來計(jì)算，夏天所需的額外的冷負(fù)荷由常規(guī)的冷卻塔來提供。工作原理地源熱泵則是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”。左圖為開式地源熱泵系統(tǒng)。右圖為冬季地源熱泵供暖原理圖。空氣源 水源 土壤源1.9系統(tǒng)類型1.水平式地源熱泵水平式地源熱泵通過水平埋置于地表面24M以下的閉合換熱系統(tǒng)，它與土壤進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較小的建筑物，如別墅和小型單體樓。該系統(tǒng)初投資和施工難度相對(duì)較小，但占地面積較大。2.垂直式地源熱泵通過垂直鉆孔將閉合換熱系統(tǒng)埋置在50M400M深的巖土體與土壤進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較大的建筑物，周圍有一定的空地，如別墅和寫字樓等。該系統(tǒng)初投資較高，施工難度相對(duì)較大，但占地面積較小。3.地表水式地源熱泵地源熱泵機(jī)組通過布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建筑物。它利用池水或湖水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小。但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域。4.地下水式地源熱泵地源熱泵機(jī)組通過機(jī)組內(nèi)閉式循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進(jìn)行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此系統(tǒng)適合建筑面積大，周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落。1.10應(yīng)用方式地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對(duì)象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。家用系統(tǒng)用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。集中系統(tǒng)熱泵布置在機(jī)房?jī)?nèi)，冷熱量集中通過風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。分散系統(tǒng)用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨(dú)使用自己的熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計(jì)量，適用于獨(dú)立熱計(jì)量要求。混合系統(tǒng)將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。1.11制冷原理在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以13以下的冷風(fēng)的形式為房供冷。1.12制熱原理在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動(dòng)方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵將地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖。1.13存在問題目前地源熱泵的技術(shù)存在的最大不足是“土壤熱不平衡”的問題。南方地區(qū)以供冷為主，常年向地下注入熱量；而北方地區(qū)冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長(zhǎng)年運(yùn)行后將導(dǎo)致土壤溫度失衡，影響周圍生態(tài)。夏熱冬冷地區(qū)的夏季供冷量往往大于冬季供熱量，多出的熱量可通過冷卻塔散去，也可通過余熱回收系統(tǒng)，用于供應(yīng)生活熱水，從一定程度上緩解土壤熱不平衡的問題。其次，地源熱泵應(yīng)用會(huì)受到不同地區(qū)、不同用戶及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響；一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會(huì)受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約；打井埋管受場(chǎng)地限制比較大，必須有足夠的面積用于打井和埋管；設(shè)計(jì)及運(yùn)行中對(duì)全年冷熱平衡有較大要求，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。2土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟2.1建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算 建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，在此不再贅述。 冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式2計(jì)算： 一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的COP1、COP2。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。 2.2地下管道設(shè)計(jì) 這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）2.21選擇管材 一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。2.22確定管徑 在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求2：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下，對(duì)更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mHO/100m當(dāng)量長(zhǎng)度以下1。2.23確定豎井埋管管長(zhǎng) 地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻(xiàn)2介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟，很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)算管長(zhǎng)。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量，一般垂直埋管為70110W/m(井深)，或3555W/m(管長(zhǎng))，水平埋管為2040W/m（管長(zhǎng)）左右3。設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長(zhǎng)），具體計(jì)算公式如下：2.24確定豎井?dāng)?shù)目及間距 國(guó)外，豎井深度多數(shù)采用50100m2，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目: 然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。 關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m3，也有實(shí)例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m4。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置（詳見2）來節(jié)約占地面積。2.25計(jì)算管道壓力損失 在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算。可采用當(dāng)量長(zhǎng)度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長(zhǎng)度，和管道實(shí)際長(zhǎng)度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長(zhǎng)度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。2.26水泵選型 根據(jù)上述計(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚(yáng)程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)程，選擇滿足要求的水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)。2.27校核管材承壓能力 管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計(jì)豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和1，即：3其它3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)處（一般為1m）設(shè)計(jì)膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。 3.2在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)的供冷量遠(yuǎn)大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價(jià)格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計(jì)供熱工況下最大吸熱量來設(shè)計(jì)，同時(shí)增加輔助換熱裝置（如冷卻塔板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨(dú)立于冷卻塔運(yùn)行）承擔(dān)供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費(fèi)用，保證地源熱泵系統(tǒng)具有更大的市場(chǎng)前景，尤其適用于改造工程1。4設(shè)計(jì)舉例4.1設(shè)計(jì)參數(shù) 上海電機(jī)學(xué)院臨港校區(qū)圖書館（空調(diào)面積23700平方米）4.1.1室外設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室外干球溫度tw34，濕球溫度ts28.2冬季室外干球溫度tw-4，相對(duì)濕度754.1.2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn27，相對(duì)濕度n55冬季室內(nèi)溫度tn20，相對(duì)濕度n454.2計(jì)算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備臨港校區(qū)參數(shù) 上海電機(jī)學(xué)院臨港校區(qū)規(guī)劃容納10000名學(xué)生，按照一次規(guī)劃、分期建設(shè)的原則進(jìn)行實(shí)施。總用地面積平方米，一期工程用地平方米;規(guī)劃總建筑面積平方米，一期工程平方米。一期工程建筑單體包括:圖書館23700平方米，公共教學(xué)樓17000平方米，文理大樓5000平方米，學(xué)生事務(wù)中心5500平方米，工業(yè)中心14500平方米，語言教學(xué)中心3000平方米，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心3000平方米，學(xué)生公寓65000平方米，研究生公寓5000平方米，第一食堂5000平方米，第三食堂3000平方米。 以圖書館為例：空調(diào)安裝面積=23700平方米 參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負(fù)荷的計(jì)算方法，計(jì)算得到各房間冷熱負(fù)荷并選擇風(fēng)機(jī)盤管型號(hào)；考慮房間共用系數(shù)（取0.8），得到建筑物夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為2400.54kW，冬季設(shè)計(jì)總熱符負(fù)荷為1600.38kW，選擇WPWD072型水源熱泵機(jī)組200臺(tái)，本設(shè)計(jì)舉例工況