1地源热泵系统的工作原理

地下水、地表水及土壤都是天然的地热资源(也可称其为地能资源)，地源热泵系统就是一种可将这些能量资源进行适当转换而为建筑提供能量的系统。以上地热资源都属于低位能源的范畴，基本上均不可直接利用，而通过消耗少量的高位能源如电能等，即可将这些低位能源转换为可直接利用的高位能源[5]。在不受外界干扰的情况下，深层的土壤可常年保持相对恒定的温度，该温度数值通常都会比冬季的室外温度高出很多，而又较夏季的室外温度低，因此，地源热泵相对常规的空气热泵来说，可有效克服因夏季高温和冬季寒冷造成热泵工作效率大幅度降低的技术障碍。

在冬季，地源热泵可将深层土壤的热量采集起来为建筑提供热能，同时降低了地层的温度，即相对储蓄了冷量，可供夏季使用；在夏季的时候，则可将地表建筑的室内热量向土壤传输，在降低室内温度的同时，也等同储存了供冬季使用的热量。如此以来，地层在地源热泵系统中发挥了类似能量储存器的作用，可大大提升空调系统的能量利用效率。以上分季节性的制冷或供热的过程，几乎不涉及能量形式的转换，有的只是能量的转移过程，甚至可说成是机械化的搬运过程。通常情况下，地源热泵消耗1KW的热量，用户即可得到4KW左右的热量或冷量，从而达到节能的目的，可实现能量利用效率的最大化，同时减少运营成本，降低有害物质的产生，有利于建筑节能和环境的保护。地源热泵的工作原理如图1所示。

2地源热泵系统的特点概述

地源热泵系统的主要特点有以下几个方面：

(1)资源的可再生性。地源热泵系统所利用的资源全部来自地球表面小于400m深度的浅层地热能源，而这些能源最终源头都又来自于太阳，所以地球表面浅层相当于是变成了一个巨大的太阳能储存器，收集并储藏了47%的太阳能，这些能量比全人类每年利用能量的500倍还要多，所以其能量来源几乎可看作永远不会枯竭，可供地源热泵一直循环地再生利用。

(2)更低的投资和运行成本。相关实际运用证明，和传统的空调系统相比，地源热泵的首次投资大概可节省15～25%的费用，而年均日常运行和总维护费用则更加显示出优势，可节约40%左右。(3)更节省空间、更环保。地源热泵系统的机房并不要求具有过多的面积，非常节省空间，甚至直接设置在地下室内即可。同时，该系统由于是对地球表面浅层土壤所蕴含的地热资源的直接利用，所以也避免了燃烧过程中有害气体的排放，对环境零污染，绝对清洁环保。

(4)更高的自动化程度。地源热泵系统与其所配套的机组均可实现较高的自动化控制，即是说可以完全实现系统机组能智能化地根据室内外温度的变化或是人们个性化的的要求而控制系统和机组的起停工作，在节省大量人力物力的同时，将节能的效果最大化。(5)更人性化设计。地源热泵系统目前已经实现了机组的任意自主调节技术屏障，即是说该系统的用户可按照需要任意调整供热供冷时间和温度，可完全自主。另外，该系统更实现了一机多用地供暖、制冷同时进行，因此，可将制冷时产生的多余热能用于生活各方面用水的加热等，促进了能源的更充分利用。

3地源热泵的优化设计

随着实践运用的不断深入和发展，目前的地源热泵技术已经迈过了可行性研究的初级阶段，进而进入了如何提高工作效能的深度研究层次。笔者认为，当前地源热泵系统的地面热交换及压缩技术方面已经具备了相当高的效率，相对而言，地下的热交换部分有待进一步进行优化设计，因此做好此方面的工作，有望实现系统的整体升级而进一步减少建筑能耗。

3.1地埋管热交换器的优化设计

(1)正确选择地埋管材地源热泵系统选择何种地埋管材，除管道的尺寸和长度规格外，还应综合考虑多方面的因素，例如热泵性能的要求标准、初装费用、水泵扬程以及维护费用等等。同时，更需要所选管材的性能可以应对各种复杂的地埋环境，这对保障热交换器的正常工作具有非常重要的意义，尽量免除因渗漏带来的昂贵维修费用。所以，应将高化学稳定性、高耐腐蚀性、高导热系数以及尽量小的流动阻力等作为地埋管材的选择标准。就当前来看，聚乙烯管或聚丁烯管更符合以上标准。

而对于聚氯乙烯管即通常所说的PVC管来说，因其不具备较高处理热膨胀及土壤位移所带来的压力的能力，所以不宜将其作为地埋管使用。(2)地埋管材的规格和压力级别参考国家标准可知，管道的压力级别通常是用管道的外径与管壁的厚度之比率(SDR)来确定的，即是：SDR=外径/壁厚。由此可见，SDR越小，则表示管道相对更能承受压力。对地埋管而言，国家规定的公称压力为需等于高于1.0MPa。在地源热泵的实际工程运用中，还必须充分考虑净水头压力以及管道的增压。(3)地埋管道传热介质的选择传热介质应以以下几点作为选择的标准：①无毒、低燃点及低腐蚀性；②冰点较低而不宜冻结；③传热性能好，流动性高；④材料的购买、运输和储藏都较为方便。综合以上要求，除水以外，还可选择氯化钠、氯化钙、甲醇和丙醇等多种溶液。

3.2科学布置地埋管及热交换器

(1)埋管方式的优化地埋管及热交换器的埋管方式可分为水平和竖直两种。在有足够的可利用地面且在表层无坚硬岩石存在的情况下，以采取水平埋管热交换器为宜，同时，根据埋管沟的埋管数量及方式，水平埋管又可视情况而选择单管、双管、多管或是螺旋管等多种埋管方式；而当埋管条件与上述相反时，则更宜采取竖直埋管热交换器的方式，竖直埋管时，可充分利用建筑物的地下混凝土基桩，将U型管与其钢筋网架型牢固捆扎，然后再进行混凝土的浇筑，实现U型管与基桩的捆绑固定。

(2)连接方式的优化。地源热泵地下热交换器的个钻孔之间所采用的连接方式可分为两种，分别为串联方式和并联方式。它们之间的区别就在于，采用串联方式的系统只存在一个流体通道，而采用并联方式的系统则具备两个或两个以上的流体通道。将并联方式的竖直型热交换器与串联方式的竖直热交换器相比较，可以使用更小管径的U型管。对并联管路的热交换器而言，同一环路集管连接的每一钻孔的热交换量大致相等，串联管理则不同，其热交换器中的各个钻孔的热交换量是不均衡的，究其原因，是由于串联管路的每个钻孔都具有不尽相同的传热温差所致。

综合起来，对并串联管路的选择最终还取决于地源热泵所设计的系统大小、埋管深浅以及安装成本高低等多方面的因素。就成本而言，通常情况下串联系统都会采用比并联系统更大管径的管道，而大管径管道也是形成较高施工成本的重要因素之一。综上所述，地源热泵技术具备传统空调系统不可比拟的优势。因此，在广泛开展建筑节能的大时代背景条件下，该项技术势必会在以后的建筑节能实际运用中体现出更高的可持续性和更巨大的发展潜力，也势必会得到更多专业化研究机构和社会高度一致的重视。