浅谈土壤源热泵系统的应用

浅谈土壤源热泵系统的应用

付腾

宜宾职业技术学院建筑工程系四川宜宾644003

摘要：本文阐述了土壤源热泵的基本原理，现场勘测的必要性和方案选择时的考虑因素，对这种较新的空调技术的应用起到指导意义。同时强调了住宅小区内土壤源热泵与热水地暖相结合的优势，有利于此技术的推广。

关键词：土壤源热泵；地暖；热交换器；热泵

1土壤源热泵系统

1.1土壤源热泵概述

土壤源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），实现低温热能向高温热能转移。即在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到土壤中去。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的热量或冷量。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转为热量，供用户使用，因此土壤源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于土壤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4.8～5.5，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％。

土壤源热泵包括一个土壤耦合地热交换器，该交换器要么水平地安装在地沟中，要么以U形管状垂直安装在竖井之中，如图1。不同管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时，系统中需加入防冻液，北方地区应用时应特别注意。

图1土壤源热泵系统简要流程图

1.2现场勘测

在决定使用土壤源热泵之前，相关部门对现场情况资源进行准确详实的了解。虽然一些地区安装土壤源热泵可能会因为一些特殊情况增加设备或安装的成本，但大部分地区是适合安装的。根据工程惯例，对任何地点适应性的评估都应充分考虑当地地质的状况，包括松散土层在自然状态和负载后的密度，含水土层在负载后的状况，岩石层岩床的结构等。

根据地质报告，相关方面对土壤源热泵系统进行评估。这些在工作开始时对当地情况进行的鉴定，能够确保设计期间避免遇到潜在的复杂的问题，同时设计部门也需要上述资料，以便选择最合适的钻孔和挖掘设备，并且可以节约大量时间和经费.

1.3方案选取

在现场勘测结果的基础上，确定热交换器的布置方式：是采用垂直竖井布置方式还是水平布置方式。对此，现场可用地表面积是一个必须考虑的因素。

在预布置时，各竖井的间距定为4.6米左右，这是为了防止在大多数情况下各竖井间的相互热干扰和长时间后的热积聚，也可以保证此后确定的竖井的各种参数满足设计要求。

虽然双U形管/竖井构造的热交换器比单U形管/竖井构造的热交换器每吨需要更多管道，但综合评估表明：因少钻竖井而节省的费用完全可以补偿由于管道数量的增加而增加的费用。

并联管道垂直式热交换器与串联管路垂直式热交换器相比，U形管管井可以更小，从而可以降低管路费用、防冻液费用。由于较小的管路更容易制作，人工费用也可能减少。而且U形管管径的减小使竖井直径也相应变小，钻孔费用也能相应降低。并联管路热交换器同一环路集管连接的所有竖井的传热量是相同的，而串联管路热交换器每个竖井的传热量是不同的.

垂直式土壤热交换器的数量取决于建筑物的负荷。建筑物负荷是建筑物类型、大小、位置、内部负荷（即设备使用发热、照明、人体发热）、室外空气渗透、太阳辐射得热、维护结构和通风情况的函数。其他影响土壤热交换器数量的因素还有平均土壤温度、覆盖层（土壤）和岩石多少、地下各层得热传导系数、热泵效率和热交换器管路大小。

2土壤源热泵与热水地暖相结合的优势

2.1低温热水地板辐射采暖概述

低温热水地板辐射采暖（简称地暖）：通过埋设于地板下的加热管，管内以温度不高于60℃的热水为热媒，在加热管内循环流动，使地板表面温度加热至18至32℃，并以整个地面为散热面，在以对流换热方式加热地板表面空气的同时，主要以辐射换热的形式对墙壁、顶棚及人员进行加热，从而使周围的围护结构内表面温度升高而达到采暖效果。

2.2土壤源热泵的优势

土壤源热泵系统的室外设备非常少，而且机房可布置在地下室，节省了高昂的维护和保安费用。没有屋顶设备，也就没有屋顶承重、修饰或挡光的问题，外部噪声大大降低，并且建筑整体美感也得到了很好的保持。

住宅小区采用地源热泵还有一个重要原因——会给开发商带来很大的益处。采用地源热泵的好处，对那些没有市政供热的小区尤其明显。而有市政供热的小区也可采用地源热泵。这一方面是因为市政供热接口费相当昂贵：住宅一般为40元/平方米，而且政府已出文件，禁止开发商向业主收取暖气集资费。另一方面，地源热泵运行费用较低，而且政府还未出台文件具体规定以热泵为热源的小区居民冬季采暖费收取值。目前该类业主交纳的采暖费也和市政采暖相同，即采暖期（4个月）18.4元/平方米。这样，物业公司可以获得一些收益。户内采用的供暖方式为低温热水地面辐射采暖。由于地源热泵的出水温度一般是50℃-60℃，正好满足低温热水地面辐射供暖系统不高于60℃的要求，无需增加换热设备，可大大减少投资，这也是二者联合应用的最大优势。

参考文献：

[1]方慧，杨其长，孙骥.地源热泵-地板散热系统在温室冬季供暖中的应用[J].农业工程学报，2008

[2]常成.混合式地源热泵系统设计实例研究[J].科技与创新，2014（3）

[3]裴宁.地源热泵在别墅建筑采暖中应用研究[J].中国房地产业，2011（1）