1、 绪论

近些年来，随着中国经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的需求。空调是目前改善建筑热舒适条件的主要工具。然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，减轻对大气环境的污染，成了首先需要解决的问题。

地源热泵系统作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术无疑是解决热舒适性与能耗这对矛盾的新手段。地源热泵系统能充分利用蕴藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循环再生，提供对建筑物的供暖和制冷。因而运行费用较低，可一年四季方便地调节建筑内的温度。

2、地源热泵的工作原理及其节能原理

2.1地源热泵的工作原理

地源热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量取出来，供给室内采暖，此时地能为热源；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为冷源。

热泵利用大地作为其热源，所以称之为地源热泵。由于较深的地层中在未受其他因素干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬天的室外温度，又低于夏天的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率十分高。另外，冬天通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏天使用；夏天通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，提高了空调系统整年的能源利用效率。

2.2地源热泵的节能特性

地源热泵系统能充分利用蕴藏于土地和湖泊中的巨大能量，循环再生，实现对建筑物的供暖和制冷。因而运行费用十分低廉。

经我查证，地源热泵比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%。比燃气炉效率提高48%。所需制冷剂比一般热泵空调减少50%之多。

通常，地源热泵消耗1kW的能量，建筑内可以得到4kW以上的热量或冷量，能效比大于4。与传统锅炉供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达4.0～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。

地源热泵供热空调系统是目前世界上最先进的绿色空调系统。热泵供热空调系统的工作原理是利用环境（空气、水和大地）中的低品位热量，经热泵机组的工作而改变温度，进而实现对建筑物的供热和空调，同时还可以提供生活热水。

3、地源热泵独特的优越性

3.1、属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

3.2、节能优势明显

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%以上。设计以及安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。同时也是节约30%~40%的能源消耗，具有明显的节能优势。

3.3、环境效益显著

该系统的运行没有任何污染，它可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。地源热泵系统省去锅炉和锅炉房，全年仅采用电力这种清洁能源，彻底解决了锅炉造成的大气污染的问题。由于提高了能源的利用效率，大大减少了由于建筑供热空调产生的CO2的排放量。同时避免了地下水源热泵系统可能造成的对地下水的浪费和污染。它是一种清洁的、可再生的能源，具有极大的环境效益及环保意义。

4、实际应用方面存在的主要问题：

   1．缺乏对地源热泵系统长期性能的分析与预测，忽视了建筑物冷热负荷在埋管周围的冷热堆积效应，使得热泵系统运行3～5年后由于地温升高或降低导致系统节能性差，甚至产生无法运行的局面。  

   2．由于施工队伍技术水平良莠不齐会导致一些问题，例如：地源热泵系统存在源侧或者源侧与负荷侧的水泄漏问题。发生的部位集中出现在地下的集管、回路、配件、机械装置等。不但有碍工程美观，更使得换热效率大打折扣，影响了使用效果。

5 、地源热泵系统常见问题的应对方案

5.1 系统概况

在我主要负责的浦东科技园综合研究中心项目中，11#楼为研发平台，由于其对建筑热舒适条件要求较高，该楼采用了日方意见----采用土壤源热泵换热系统。系统夏季提供7/12℃冷冻水，冬季提供45/40℃热水。

该系统由日本方面提供。主要工程内容和工作量包括桩内换热装置（3U型管）安装、桩至机房的外线、机房设备管路安装、末端风机盘管安装、吊顶式空调器水系统和风系统安装及调试。地埋管换热器采用双U 型管, 地埋管换热器及水平连管都使用聚乙烯管道( PE 管)。在预埋阶段，由于管材均由日本进口提供，该材质对裁切及连接工艺有一定的要求，需要通过使用塑料管用的切管器，将聚乙烯管等树脂管进行切断，注意剪切时不要使管端扁平，切断时不可使用高速砂轮切割机等来剪切。将接头通过熔接施工法进行连接。连接时管内需注意不要出现导致留洞障碍的高低不平。连接时，要使用符合管接头的熔接机，根据配管操作顺序来进行连接。连接后用指示器确认整圈的焊道是否均匀、防止漏连接。在操作前，我们再设计交底上与设计及日方技术人员多次探讨，并国内传统PE管材进行分析对比，要求工人按照日方标准，进一步提高自身工艺水准，以达到设备的工艺要求。

该项目设计了19个3U管桩埋管换热器，有效换热深度26米。4~5个换热器为一个系统,采用串联连接，共有4个系统，每个系统的供回水干管接至分集水器。（桩径为600mm）桩埋管换热器采用HDPE管制作，U型处自然回弯。

5.2 常见问题的应对方案

1.该项目的地源热泵系统埋地管在设计初时，采取统一的间距3.2m。经过我们研究，发现埋地管间距直接影响了换热效果。当间距增加时，由于周围土壤体积增加，可以有效降低相邻埋管间的热干扰，使得土壤温度容易得到恢复，换热效果提高。

根据相关文献——埋地管间距应考虑季节温度变化：在放热时，埋管间距取4m；在吸热时埋管间距取5m，综合以上两点考虑，U型管埋地间距应取5m。

针对上文实际应用方面存在的第一项问题，依据以上数据，我决定采用用Fluent软件模拟管群周围温度场热平衡，来预测冷热堆积效应。

埋管换热器计算物性参数为：

管群温度场模拟分析选择埋管间距为5m，以3X3正方排列的钻孔为例，进行温度场分析。由于没有采用辅助设备消除热堆积现象，所以过程中不考虑中间的热量外释放。

得到下图：

由Fluent监视窗口得到土壤温度场逐年变化值：

由表和图可以看出该项目地源热泵空调系统在长期运行期间前3年的土壤温度变化明显，3年以后的温度降低速度减小且趋于平稳，年降低温度约为0.005℃。10年内土壤温度降低1℃，平均降低为0.1℃。换热工况比较稳定，土壤温度没有明显的升高或降低趋势。无热堆积现象发生。所以，埋管间距选取5m为合理情况。

2.针对第二项问题，我在分析了其中原因后，在管材预制加工及敷设时，组织班组采取了一些措施：

①土壤换热器系统的连接采用热熔承插焊接，插接时均匀加力，冷却时用夹子固定并保证至少5分钟，充分切削熔接面，保证熔接良好。

②水平管铺设时，水管外采用FEP管为保护套管。灌注混凝土前，用扎带将管子固定在钢筋上，防止晃动。

③保护管内的配管不进行熔接，采用一整根。

④敷设完成后进行试压，压力为0. 6Mpa，保持压力120分钟，确保压力稳定在0.5Mpa以上。

⑤确保无漏水情况后再进行回填。

经过以上措施，水管泄漏的问题得以解决，目前为止未发现有水泄漏的问题。

桩埋管换热系统图

6、结束语

地源热泵系统是一种时下流行的空调系统。比传统系统在能耗上有着非常显著的优势。其可再生、节能以及对环境影响小等特点将在日后长期的使用中体现的更为显著，值得推广。