地埋管换热器的设计与布置

  本文主要阐述土壤热交换器设计和布置。在进行土壤热交换器设计之前，应当获得系统承载的负荷情况，以及通过实地测试得到的土壤热物性参数。此外，还应对土壤换热器热泵系统进行可行性和经济性进行评估。地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。

  地源热泵系统实际最大释热量发生在与建筑最大冷负荷相对应的时刻。包括：各空调分区内水源热泵机组释放到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水的总热量。即：

  最大释热量=∑[空调分区冷负荷×(1+1/EER)]+∑输送过程得热量+∑水泵释放热量地源热泵系统实际最大吸热量发生在与建筑最大热负荷相对应的时刻。包括：各空调分区内热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前二项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：

  最大吸热量=∑[空调分区热负荷×(1-1／COP)]+∑输送过程失热量一∑水泵释放热量最大吸热量和最大释热量相差不太的工程，应分别计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者，确定地埋管换热器；当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，采用辅助散热（增加冷却塔）或辅助供热的方式来解决，一方面经济性较好，同时，也可避免因吸热与释热不平衡引起岩土体温度的降低或升高。

  地埋管换热器设计计算是地源热泵空调系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域岩土体的换热特性差别都很大。为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，通常设计前需要对现场岩土体热物性进行测定，并根据实测数据进行计算。此外建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化，地埋管及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此，考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行计算。

  地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低位热源，但为了便于使热源（或热汇）与地源热泵相呼应，国内提出了“浅层地能”的概念化的术语。目前，国内对地源热泵低位热源“浅层地能”的认识尚不完全相同，大多数专家认为“浅层地能”能量主要来自太阳能，但是这种说法仍然存有争议，如国际地热协会副主席L.Rybach教授认为，浅层地能主要来自大地热流的能量，只有地表附近的很小距离内的地热能是二者共同作用的结果，且温度随季节周期性波动。也有人认为浅层地热能是一种资源，且“浅层地热能资源”在我国应用的区域非常广泛。基于此观点，浅层地热能主要来自于大地热流的能量，而在我国大陆地区测热流值变化为23-319MW/m²，平均值为62. 6MW/m²，若再考虑土壤岩石的比热容，其释放的能量可以更大。但是，值得关注的是，处于工程场区内的浅层地温能相对要少得多。当我们真的将其作为取之不尽用之不竭的能源后，地源热泵系统只从地下取热，这样五六年后该地层温度就会明显下降，该地源热泵系统中水源热泵机组的制热效率也会随之下降，10年后就会迫使热泵机组停止使用。目前在一些工程应用中，设计与应用地源热泵系统时忽视了冷热负荷的平衡问题，导致热堆积或者冷堆积，使地源热泵机组系统能效大幅降低。这充分说明浅层岩土体不是什么取之不尽的低温热能资源，而仅仅是作为一种蓄热层。因此，在基于“浅层地热能”的资源观点发展地源热泵，在大面积推广的背景下，地源热泵的低温能量由何而来必须要先思索清楚，否则，将会违背能量守恒的基本原理。只有浅层岩土层季节蓄能才能保证地源热泵低温热量源源不断，才能成为有源之热泵。