地源热泵在北方地区使用应注意的几个问题

地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统三种形式。

一、土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。其土壤中埋管的方式有两种，垂直埋管和水平埋管。若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式；相反，若建筑物周围可利用地表面积有限，应采用竖直U型埋管方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式较多。

二、地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。

三、地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。

总之，地源热泵作为一种可再生能源的利用，会越来越多的被人类所重视，虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。

可再生能源的利用–高效地源热泵系统

一、地源热泵是太阳能的有效间接利用

太阳能的47%被地表吸收,因此地表浅层蕴涵着大量取之不尽的能量,超过人类每年利用能量的500倍，并且不受地域资源限制，无处不在。

二、资源越用越少，太阳则天天升起

由于太阳能或地能近乎无限且持续恒定的特点，这使得地源热泵利用储存于其中的能量成为可能。

所以说，地源热泵利用的是清洁的可再生能源利用的一种技术。

三、地源热泵原理

地源热泵的技术思路则是以少量高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位转移。地源介质在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源。

即在冬季，把地源介质中的热量“吸取“出来，提高循环介质温度后，供人采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地源介质中去，由地源介质将其储存。这在根本上有别于任何传统空调系统,资源越来越少，而太阳天天升起。

地源热泵是太阳能的有效间接利用

地源热泵中央空调系统为包括夏季空调制冷、冬季采暖以及生活热水，辐射制冷、地板采暖系统等提供能源解决方案。

北方地区应用地源热泵应注意的问题

地源热泵(GSHP)是以大地为热源的热泵。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高，对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。地源热泵可以充分发挥地下土壤蓄能作用，实是一种节能，对环境无害的绿色采暖

空调技术，符合我国可持续发展战略的要求。本文仅对北方寒冷地区应用地源热泵的有关问题做一些讨论，仅供参考。

一 地下土壤的热平衡问题

因地源热泵（GSHP）的自身特点而有其适用的最佳地域范围，即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。在寒冷地区由于其冬季供热负荷大于夏季供冷负荷，造成热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量，致使土壤温度有可能逐渐降低，造成冬季使用时地源热泵机组的蒸气温度降低，致使系统供热量下降，耗功率上升，供热系数COP降低，一般情况下，土壤温度降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3—4％。同理，对于南方地区，由于夏季空调冷负荷大于冬季供暖负荷，可能造成地下土壤的温度越来越高，造成机组的冷凝温度提高，致使制冷量减少，耗功率上升。因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。

对于水平埋管的地源热泵，由于水平管埋深浅，可以与地面进行充分地热交换，因此不存在地下土壤的热平衡问题。对于垂直埋管，一般埋深大多数30—100m，此时与地面及附近土壤的热交换量较小，根据实测和理论计算，建议冬夏向土壤的吸排热量平衡差不大于20％为好。如果热平衡性相差较大，可以采取辅助加热(或冷却)方式，有的把这种带有辅助加热(或冷却)的系统称为混合式地源热泵系统。对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区，最常用的方法是采用带有太阳能集热器辅助加热的太阳能—地源热泵系统。对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区，最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统。上述两种热泵系统在一定的气候地区，与单独的GSHP相比，一般具有节省投资和降低运行费等优点。

太阳能—地源热泵系统可通过阀门的控制来实现太阳能直接供暖，太阳能热泵供暖，地源热泵供暖及太阳能集热器集热土壤蓄热的运行流程等。冬季采暖时，以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户，同时，在土壤蓄存部分冷量以备夏季空调用。夏季与过渡季节，太阳能集热器主要用于提供生活用热水。

二 土壤冻结对埋管换热器传热的影响

在北方寒冷地区，冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在0℃以下，换热器周围含湿量的土壤可能冻结。根据定性分析，水份冻结时，有大量的潜热被释放出来，因此在吸收同等数量的热量情况下，土壤降低的温度幅度小，水份越多，释放的潜热越多，温度降低幅度越小，在邻近换热器埋管的土壤温度越高。如果设计中不考虑土壤中水份冻结的影响，计算出的地下埋管周围的温度场偏低与实际情况偏差较大，水份越多，差别越大，因此设计中应考虑水份冻结的影响。但目前有关岩土冻结和其计算方法方面的研究文献不多，但可以肯定土壤冻结对地下埋管换热是有利的。有的文献提出在长期连续运行时，如不考虑冻结的影响，换热器尺寸要比实际偏大31％。有的采用简化方法，把埋管与周围土壤换热过程按未结冻和冻结两种模型计算，冻结时按冻结区的当量导热系数、比热和密度及末冻结时的导热系数、比热和密度分别建立盘管内流体能量方程、盘管壁的能量方程、土壤冻结时的能量方程、土壤末冻结时的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到冻结时和末冻结时的土壤温度场分布情况。考虑冻结时的土壤温度均高于未考虑冻结时的温度，而且含水量越高，温度差别越大。

三 埋管内工作流体

在南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，一般均使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：

①盐类溶液有氯化钙和氧化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

经对水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)进行计算，计算结果如下。

3.1 最小管内流速(流量)

按文献临界雷诺数Rek＝2000，Re>2000为紊流，Re<2000为层流。由 和 的计算公式，求出上述三种流体不同管径下的最小流速，即最小流量。计算结果为在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl和乙二醇水溶液时，为保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。

3.2 不同流体管内换热系数 (W／m2·K)计算

采用文献[4]计算公式，其计算结果为在相同流速、相同管径下，水的换热系数最大。其大小排序为水－CaCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值与管径和流速有关，在常用管径及流速范围内，大小比值为1：0.47～0.62：0.41～0.56。

3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)计算

由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑(过渡)区内，即2100

四 结论

寒冷地区应用地源热泵技术应考虑地下土壤的热平衡问题，采用太阳能辅助加热的系统是优先的选择。土壤冻结对埋管换热器的传热有利，设计中应考虑此影响。埋管内工作流体应采用不冻液，由于不冻液的热物性参数变化，其埋管内最小流速，流体管内换热系数、流体阻力均与水有很大的不同，设计中应充分注意。