摘要：地源熱幫浦是一項高效節能型、環保型並能實現可持續發展的新技術，它既不會汙染地下水，又不會影響地面沉降。本文對地源熱幫浦戶式空調系統設計的幾個關鍵問題進行了**，對系統的設計方法和執行控制技術進行了分析。
一、引言
地源熱幫浦的歷史很悠久，美國早在上世紀初就開始了對地源熱幫浦的效能研究，目前在美國地源熱幫浦已經成為了一種成熟的，完全產業化技術。到2023年止，已安裝了400000台地源熱幫浦，且還在以每年10%速度穩步增長。在北歐如瑞典這些國家，90%的房屋裝有地源熱幫浦。
相對而言，我國對地源熱幫浦的研究則要晚得多，直到上世紀80年代才有一些單位對它開始進行系統研究。國內開始對土壤源熱幫浦的探索性研究，但在如何有效地降低系統初投資、保證系統的可靠執行等方面的研究一直沒有突破。，從而得出土壤源熱幫浦節能的一般性結論。
由於缺乏對埋地換熱器在土壤中複雜的傳熱、傳質綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用於某一具體實驗系統，所提供的基礎資料較少而不能作為設計依據。因此在地源熱幫浦機組及系統開發和設計上還有許多尚待解決的問題。本文將對戶式水-水式地源熱幫浦機組、土壤熱交換器及整個空調系統等的開發與設計進行簡單**。
地源熱幫浦是地下土壤層為冷(熱)源對建築物進行供暖、供熱水和空調**的技術。眾所周知，地層之下一年四季均保持乙個相對穩定的溫度。在夏季，地下的溫度要比地面空氣溫度低，在冬季卻比地面空氣溫度高。
地源熱幫浦正是利用大地的這個特點，通過埋藏在地下的換熱器，與土壤或岩石交換熱量。地源熱幫浦全年執行工況穩定，不需要其它輔助熱源及冷卻裝置即可實現冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱幫浦是一項高效節能型、環保型並能實現可持續發展的新技術，它既不會汙染地下水，又不會影響地面沉降。
在冬天，管道內的液體將地下的熱量抽出，然後通過系統匯入建築物內，同時蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建築物內抽出，通過系統排入地下，同時蓄存熱量，以備冬用。地源熱幫浦一年四季均能可靠的提供高品質的冷暖空氣，為我們營造乙個非常舒適的室內環境。因此，地源熱幫浦空調得到了廣泛的發展，尤其適合作為戶式**空調的冷(熱)源。
戶式高效節能型地源熱幫浦系統設計
二、地源熱幫浦空調系統設計
1．地源熱幫浦系統迴圈簡介及選擇
地源熱幫浦系統按其迴圈形式可分為：閉式迴圈系統、開式迴圈系統和混合迴圈系統。
1.1閉式迴圈系統
封閉迴圈系統是指冷(熱)源側的迴圈水在機組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉迴圈。管道可以通過垂直井埋入地下150－200英呎深，或水平埋入地下4－6英呎處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建築物中，而在夏天則是將建築物內的熱能通過管道送入地下儲存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。
大部分地源熱幫浦冷(熱)源側換熱系統是採用封閉迴圈。
1.2開式迴圈系統
開式迴圈系統是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式迴圈相同的方式與建築物交換熱量之後，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點。
1.3混合迴圈系統
對於混合迴圈系統，地下換熱器一般按熱負荷來計算，夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。
1.4迴圈系統選擇
閉式迴圈系統是一中比較穩定可靠的常規迴圈系統，對地下水、地下環境沒有汙染，一般設計應優先考慮該迴圈系統。對於地下設計熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設計混合迴圈系統。
2.系統設計引數討論
關於(冷)熱源側水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決於埋管迴圈流程長度、埋管材料、管徑大小、當地地源條件以及機組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當增加換熱係數，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加迴圈水幫浦能量消耗。
一般可取流速為0.65-1.5m/s。
具體可當地條件進行優化分析與設計，其優化設計考慮的引數關係如下。
復合能耗n=f(長度llt、埋管材料ma、管徑d、地源溫度te，地源熱指標ke，機組特性type)
在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱幫浦機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。總之，我國幅員遼闊，地處溫帶，在不同地區氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果，而要開發適合我國氣候特點的技術。
三、機組的設計
地源熱幫浦的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱幫浦。對於戶式地源熱幫浦系統，以水-水系統為例，由乙個室外機組和多個室內機組組成。該系統可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，具有較好的節能效果。
而變頻戶式地源熱幫浦空調系統加上獨立的新風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式**空調系統。因而其優化設計具有極其重要的價值。
傳統的製冷系統設計方法是基於經驗加實驗為主。通常經驗設計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經驗設計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩定性差的缺點，只適於產品的初步開發。
而基於理論**的優化設計技術可以有效。最優化方法就是在一切可行方案中選出最優方案的方法。在最優化設計中，表徵方案的一切獨立變數為設計變數。
最優化方法就是研究如何合理地確定這些變數的方法。而評價方案優劣的指標決定於該方案所選定的設計變數，即該指標為設計變數的函式-目標函式。在系統優化設計中，設計變數的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。
變頻戶式地源熱幫浦空調系統由變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥、室內機、製冷劑管路和水幫浦水管路系統組成。根據製冷系統熱力學理論，利用引數動態分布、相互關聯的方法，建立系統各部件數學模型和執行引數動態方程，組成系統執行引數的方程組，並對該系統進行動態模擬。模擬系統的動態特性，為優化設計提供依據。
為滿足空調系統的節能、熱舒適性及製冷制熱好的效果，空調系統的能效比、降(公升)溫速率和降(公升)溫幅度要達到指標要求。因而在優化設計時，分別選取能效比、降(公升)溫速率和降(公升)溫幅度為目標函式的多目標優化方法。
同時考慮滿足冷凝器和蒸發器結構、面積範圍、迎面風速範圍、系統溫度和壓力變化範圍、水和製冷劑流量範圍、過冷過熱度範圍和室內機數量等約束條件的要求，利用優化方法進行對上述目標多目標優化計算，從而達到針對不同地域的地源熱幫浦系統的優化設計的目的。
四、地源熱幫浦地下換熱器形式與布設
土壤熱交換器是地源幫浦機組設計的關鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境。
在中國採用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱效能好，可安裝在建築物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建築物樁基中設定埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。下面就豎直埋管換熱器的設計進行簡單的**。
1.豎直埋管材料和深度
埋管材料最好採用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱效能可滿足換熱要求、**便宜等優點。可供選用的管材有高密度聚乙烯管(pe管)，鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如dn20、dn25、dn32、dn50等。
豎直埋管可須根據當地地質條件而定，可以從20m-200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鑽孔裝置、鑽孔成本和工程規模。如果地表土壤層很厚，鑽孔費用相對便宜，宜採用較深的豎直埋管，反之，採用淺埋。
埋管間距一般以5-6公尺及以上，要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。
2．豎直埋管換熱器回填、靈敏度
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鑽孔達到預計深度，將製作好的u型管下入孔中，然後在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有u型管併聯構成地下換熱器。根據地質結構不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。
材料選擇要兼顧工程造價、傳熱效能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱效能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建築物樁基一起施工。
3豎直埋管換熱器中傳熱的衰減
豎直埋管換熱器中流動的迴圈水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由於蓄熱地溫提高，機組執行時水溫不斷上公升，停機時水溫又有所下降，當建築物得熱達到最大時水溫公升至最高點。冬季供熱工況執行時則相反，由於取熱地溫下降，當建築物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。
對於籤埋管尤其嚴重。設計時，首先應設定換熱器埋管中迴圈水最高溫度和最低溫度。同時，由於埋管換熱器的表面結垢等影響，設計時要考慮衰減。
設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態點。
五、結論
對地源熱幫浦戶式空調系統設計的幾個關鍵問題，系統選擇、熱幫浦和土壤熱交換器進行了討論，對系統的設計方法和執行控制技術進行了分析。
地源熱幫浦系統設計基礎
1 總平面布置和地表情況，包括 專案範圍的大小和形狀。專案周圍現存和規劃建築。道路，綠地，人工景觀和附屬設施的情況。現有的水井，廢水，中水情況。2 地質，水文和地表水的調查報告，包括 地表水應用調查報告。地下水系統實驗井的調查報告。實驗井是為了解決地下水資源的具體情況和地質情況而設定的。地下水質條件...
關於地源熱幫浦系統設計
摘要 地源熱幫浦是一種以土壤 地下水作為低溫熱源的熱幫浦空調技術。其原理是依靠消耗少量的電力驅動壓縮機完成製冷迴圈，利用土壤溫度相對穩定 不受外界氣候變化的影響 的特點，通過深埋土壤的環閉管線系統進行熱交換，夏天向地下釋放熱量，冬天向地下吸收熱量，從而實現製冷或供暖的要求。關鍵詞 地源熱幫浦 特點 ...
地源熱幫浦空調系統技術與設計介紹
第一部分地源熱幫浦工作原理 地源熱幫浦是利用水與地能 地下水 土壤或地表水 進行冷熱交換來作為熱幫浦的冷熱源，冬季把地能中的熱量 取 出來，供給室內採暖，此時地能為 熱源 夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水 土壤或地表水中，此時地能為 冷源 地源熱幫浦供暖空調系統主要分三部分 室外地能換熱系統 水源...