土壤耦合热泵空调系统

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第6章 土壤耦合热泵空调系统

基本概念

? 土壤耦合热泵空调系统是地源热泵系统的一种型式，又称地埋管地源热泵系统、土壤源

热泵空调系统等。根据是否存在中间传热介质（通常是水或添加防冻剂的水溶液），土壤耦合热泵还可以分为直接膨胀式（Direct expansion ground-coupled heat pump，简称DX-GCHP）和间接膨胀式（又称第二环路土壤耦合热泵系统，Secondary loop ground-coupled heat pump，简称SL-GCHP）两种类型。

? 土壤耦合热泵空调系统通过中间传热介质（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭的地

下埋管中流动，实现系统与大地之间的传热。土壤耦合热泵空调系统一般由三个环路组成：室外环路、制冷剂环路、室内环路。

? 土壤耦合热泵空调系统设计计算前的准备工作是通过现场勘察、水文地质调查、设置测

试孔和监测孔以及热响应试验等，为方案选择与决策提供依据，同时也为设计计算提供设计材料和基础依据。之后进行的是地埋管换热器的传热分析，最后就是具体的设计计算过程。

? 地埋管及管件应符合下列规定：（1）地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、

流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB），不宜采用聚氯乙烯管（PVC）。管件与管材应用相同的材料。（2）地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0MPa。

? 根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。水平

埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但它的缺点是传热条件受外界气候条件的影响、占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。当可利用地表面积较大、地表层不是坚硬的岩石、建筑物规模小时宜采用水平地埋管换热器。否则，宜采用竖直地埋管换热器。竖直地埋管换热器的优点是占地少、工作性能稳定等。

? 采用竖直埋管换热器时，每个钻孔中可设置一组（单U）或两组U形管（双U）。尽管单

U形埋管的钻孔内热阻比双U形埋管大30%以上，但实测与计算结果均表明：双U形埋管比单U形埋管仅可提高15%~20%的换热能力。双U形埋管管材用量大，安装较复杂，运行中水泵的功耗也相应增加。因此一般地质条件下，多采用单U形埋管。但对于较坚硬的岩石层，选用双U形埋管比较合适。

? 现有的地埋管换热器传热模型可分为两大类：第一类是以热阻概念为基础的半经验性设

计计算公式，主要用来根据冷、热负荷估算地埋管换热器所需埋管的长度。第二类方法是以离散化数值计算为基础的传热模型，可以考虑比较接近现实的情况，用有限元或有限差分法求解地下的温度响应并进行传热分析。

? 对于实际工程计算，竖直地埋管换热器的长度常采用半经验公式进行设计计算，可采用：

（1）《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》推荐的设计计算方法；（2）按现场测试获得的单位钻孔深度（或管长）的换热量确定其长度；（3）按线算图确定竖直地埋管换热管的孔深与管长。

重要图表

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图6-1 土壤耦合热泵流程示意图

1-地下埋管；2-循环水泵；3-板式换热器；4-蒸发器；5-节流机构；

6-冷凝器；7-制冷压缩机；8-热用户；V1~V8-阀门

水平式埋管换热器闭式系统 垂直式埋管换热器盘管 螺旋管U形管套管螺旋管土壤耦合热泵 混合系统 冷却塔补偿式 太阳能辅助式 冷却池塘辅助式 单井循环系统

图6-2 土壤耦合热泵空调系统分类

图6-3 直接膨胀式热泵系统

1-压缩机；2-四通换向阀；3-室内空气/制冷剂换热器；4-风机；

5-节流机构；6-单向阀；7-贮液器；8-地埋管换热系统

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图6-4 间接膨胀式热泵系统

1-压缩机；2-四通换向阀；3-室内空气/制冷剂换热器；4-风机；5-节流机构； 6-中间传热介质/制冷剂换热器；7-中间传热介质循环泵；8-地埋管换热系统

图6-6 几种常见的水平地埋管换热器形式[3] （a）单或双环路；（b）双或四环路；（c）三或六环路

图6-7 几种新近开发的水平地埋管换热器形式[3] （a）垂直排圈式；（b）水平排圈式；（c）水平螺旋式