地温中央空调设计施工中的几个重要环节
地温中央空调是一种利用地下浅层地热资源（也称地能），既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。在冬季把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；在夏季把室内的热量“取”出来，释放到地能中。以此达到给用户制冷制热。
地温中央空调具有环保、洁净、节能经济的特点：地温空调省去了锅炉房、冷却塔，避免了向空气中排放任何烟尘及有害物质，消灭了冷却塔的运行噪声，同时节省了锅炉房、冷却塔及煤渣所占用的宝贵面积。地温空调在作到“一机三用”（制冷、制热及生活热水）的同时，运行费用比传统的中央空调要低60%，能效比大大提高。
地温空调由末端（室内空气处理等）系统、地温空调主机（又称水源热泵）及其附属设备、水井三部分组成。地温中央空调未端和传统的中央空调未端没有什么区别，主要不同就在于机房和水井。
几年来通过对地温空调工程运行情况的回访和调查，有这样两个问题普遍存在：首先是回灌井的回灌效果不好，回灌水从井中溢出；其次就是水源热泵机组中积砂，影响水源热泵机组的制冷制热效果。为了避免以上问题的出现，我们在设计及施工中就应该引起重视，做好以下几个环节：
一、为防止回灌井堵塞，确保空调系统长期稳定的运行，水井管网设计成双回路，如图1-b所示，出、回水井可以互相切换使用，定期更换抽水井和回水井，这样可以保证水井中滤水层畅通，不会堵塞，保证回灌量，而且还可以保证水井的出水量。
二、水井管网中一定要设计排污管，现在常见的施工图设计中一般都考虑了出水管设排污管，如图1-a，这样有利于井管网安装后的洗井，将新打成的井连续抽洗，一般是日夜不停两三天左右，另外是每年夏冬两季开机的时候也要洗井，一般是一两天可以把水井抽清，井水抽清以后使用，即可延长主机、水泵等设备的使用寿命，又可以避免污染地下水源。
三、井水回水管和排污管连通，主机进出水管加旁通管，这样有利于彻底清洗管路中的杂质。一般设计人员的思路是水井抽清以后，开始往管网中注水，然后水从旋流除砂器排出，冲洗干净以后，关闭除砂器的排污管，开始向主机中注水。这样做缺点有三：①这样只冲洗了部分管路系统，即从水井到旋流除砂段，而旋流除砂器至主机段及主机出水到水井段的管路系统仍然是不清洁的，主机中易沉积杂质。②不清洁的水流回水井容易造成地下水污染。③旋流除砂器中流出的水不易及时排走，在机房中漫延。特别是机房设在地下室的情况，排污泵的流量往往只有几吨/小时，而深井泵的出水量少的也有几十吨甚至一、二百吨/小时。如按图 2 设置，以上所有问题都可以迎刃而解。
四、回水井设成有压回灌，将井加设法兰、密封井口，这样即可保证回水不会从井中外溢，又可以在外力的作用下使水井中透水层畅通，利于回水百分之百回灌。
五、选用高质量的旋流除砂器
有些施工单位为了降低工程造价，自己在现场用钢板加工旋流除砂器，严格来讲，这是不符合要求的。旋流除砂器在地温空调中是一个很重要的设备，正规厂家的产品在选材、尺寸设计上都是很严格的。经过正规计算，材质是选用耐磨、耐腐蚀、经久耐用的低碳钢，生产出的产品都经过国家权威部门的检验。而现场加工的产品都是选用普通钢材，且尺寸也是凭经验而定，这样的设备除砂效率不高。久而久之，砂粒就会在地温主机中越积越多，降低主机的效率，甚至报废。
选用了正规厂家的高质量除砂器，还要经常定期排污除砂，才能达到除砂的目的，起到保护水源热泵主机的作用。
地温中央空调系统是一柄“双刃剑”，利用的好，可产生巨大的经济效益和良好的社会效益；但是，如果处理不当，会对水资源和建筑物造成破坏。让我们从细微处着手，切实做好每一个环节，使地温中央空调运行的越来越好。
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vincent_nk
沙发
4.2 不同机组容量比例地源热泵系统模拟结果
2006-05-15 13:57:15
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vincent_nk
板凳
3 不同土壤和不同回填材料地源热泵模拟结果
2006-05-15 13:56:15
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加载更多图9 冬季启动工况性能对比 图10夏季启动工况性能对比
在冬季和夏季冷热负荷相差较大的地区，或者在较干燥土壤的地区，采用复合地源热泵系统形式，可有效提高地源热泵系统的能效。为了对这一问题做出说明，考虑一复合地源热泵系统，热泵机组容量确定为峰值负荷的80％，20％的尖峰负荷由辅助设备承担。在这一前提下，地源热泵系统（不包括辅助冷却和加热设备）冬季和夏季的热泵启动工况模拟结果对比见图9和图10，复合地源热泵的冬季制热系数和夏季循环性能系数分别为3.27和3.16。
对比模拟结果，可以发现，当增加辅助冷却和加热设备、降低热泵机组装机容量后，冬季，埋管进出水温度和制热系数有较大提高；夏季，埋管进出水温度则有较大程度的降低，循环性能系数有较大程度的提高。与增加埋管长度的方式相比，容量降低20％的地源热泵系统，其单位管长的换热量、循环性能系数都要高于埋管长度增加25％的地源热泵系统。
当增加埋管长度受到场地面积限制的情况下，为改善地源热泵的性能，采用复合地源热泵的方式，就成了唯一的选择。当然，对于复合地源热泵系统，要增加辅助设备的投资，在总的运行能耗分析中，还应同时考虑辅助设备的运行能耗。复合地源热泵系统各部分承担的负荷比例，应根据具体情况，通过运行模拟和能耗分析加以确定。
5 结论
5.1 地源热泵系统的运行特性受地面热泵机组性能和埋管换热器性能的影响，热泵机组容量、土壤和回填材料特性、埋管长度和地源热泵的运行方式都影响和制约着地源热泵系统的运行特性。其中，土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响；
5.2 适当增加埋管长度，或者采用复合地源热泵的系统形式，将有效改善地源热泵系统的循环性能。埋管长度、辅助设备容量，应在地源热泵运行模拟分析的基础上，综合考虑场地面积、初投资和运行费用加以确定；
5.3 需要特别指出的是，由于土壤作为热源和热汇的特点，地源热泵的运行节能效果，很大程度上取决于钻孔的合理间距和埋管换热器的长度。地源热泵技术在不同地区的推广和应用，必须建立在经过有效性和可靠性验证的地源热泵模拟基础之上。
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3.1 不同土壤地源热泵系统模拟
本文所研究的地源热泵实验系统，现场土壤属于重饱和潮湿性土壤，土壤的导热系数 ＝2.40W/m.k，土壤扩散系数 ＝0.003252m2/h，前节的模拟结果即是在上述土壤特性条件下进行的。现考虑一重土潮湿性土壤，根据文献[3]，该类型土壤的导热系数 ＝1.30W/m.k，土壤扩散系数 ＝0.0023m2/h，冬季和夏季的启动工况模拟结果对比见图3和图4，土壤导热系数 ＝1.30W/m.k时的季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为2.82和1.87。
图3冬季启动工况性能对比 图4 夏季启动工况性能对比
不同土壤的运行模拟结果表明，土壤特性对地源热泵的运行性能有较大的影响，土壤导热系数降低以后，冬季吸热量、供热量、制热系数和埋管换热器进出水温度都有较大程度的降低；夏季排热量、制冷量降低，埋管换热器进出水温度和热泵输入功率有较大程度的升高，循环性能系数降低。
从全年的运行的角度看，土壤导热系数降低，在供热量和制冷量都降低的情况下，压缩机运行的总能耗增大。因此，总体来看，土壤导热系数大，有利于地源热泵的安全运行和节能效果的提高。地源热泵应用于不同地区时，应根据当地土壤特性，确定出适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系。
3.2 不同回填材料地源热泵系统模拟结果
在埋管井中充填不同的回填材料，对地下埋管换热器传热特性和地源热泵运行特性也有着不同程度的影响。本文的地源热泵实验系统采用细砂和粘土混合物作为回填材料，在土壤类型上也属于种重饱和潮湿性土壤，导热系数 ＝2.40kW/m.k。国外地源热泵的埋管井回填，通常采用灌浆的方法，一般采用水泥为基料的灌浆或以膨润土为基料的灌浆。为考察回填材料对地源热泵运行特性的影响，在土壤特性等条件相同时，现以文献[4]中给出的增强型膨润土和砂浆混合物的灌浆材料（ ＝2.91kW/m.k）进行地源热泵运行模拟，冬季和夏季不同回填材料的启动工况性能比较见图5和图6。回填材料导热系数 ＝2.91kW/m.k冬季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为3.12和2.69。
图5 冬季启动工况性能对比 图6夏季启动工况性能对比
不同回填材料的模拟研究结果表明，采用导热系数高的回填材料，冬季热泵运行时，埋管换热器进水温度和出水温度都有所升高，吸热量和供热量增加，热泵制热系数增大；夏季埋管换热器进水温度和出水温度降低，埋管换热器排热量、热泵制冷量增加，热泵压缩机输入功率降低，热泵循环性能系数提高。
因此，总体来看，回填材料导热系数高，对热泵的运行性能在冬季和夏季都有一定的程度的改善，回填材料导热系数越大，其性能改善的程度也越大。此外，采用水泥基料的灌浆，也可有效防止污染物从地面向下渗漏，并能防止各含水层之间水的移动。有利于地下水资源的保护。灌浆材料的选择和灌浆方法的研究，应是我国目前推广地源热泵技术的一个值得研究的课题。
3.3 不同土壤特性和回填材料的热泵运行能耗比较
根据模拟结果， 在满足相同供热量和制冷量条件下，采用相同的热泵机组型式和埋管换热器长度，对不同土壤、不同回填材料的热泵运行能耗进行比较，比较的土壤和回填材料物性参数见表2，运行能耗的比较结果见表3。
运行能耗比较的结果表明，土壤特性对地源热泵全年运行能耗有着重要的影响，条件1与标准条件相比，导热系数降低了45.8％，全年运行能耗增加了25.8％。因此，对于不同地区，针对不同的土壤物性参数，在地源热泵运行模拟的基础上，确定合理的热泵机组容量与埋管换热器长度之间的关系，是实现地源热泵系统运行节能的前提。
表2 土壤和回填材料物性
比较类型 土壤材料
W/m.k 土壤扩散系数m2/h 土壤比热kJ/kg.℃ 回填材料
W/m.k
标 准 重饱和潮湿土壤 2.40 0.003252 0.84 细砂和饱和粘土 2.40
条件1 重土壤潮湿 1.30 0.0023 0.96 细砂和饱和粘土 2.40
条件2 轻土壤潮湿 0.86 0.0019 1.05 细砂和饱和粘土 2.40
条件3 重饱和潮湿土壤 2.40 0.003252 0.84 膨润土－砂浆 2.91
条件4 重饱和潮湿土壤 2.40 0.003252 0.84 重砂浆 3.33
注：1.土壤物性数据来源见文献[3]，回填材料物性数据来源见文献[4、5]。
2.条件1、条件2为不同土壤类型，条件3、条件4为不同回填材料类型。
表3 不同土壤和回填材料地源热泵运行能耗比较
比较类型 冬季制热系数 夏季制冷系数 全年运行能耗kWh 能耗比值％
标 准 3.10 2.62 36470 100
条件1 2.82 1.87 45881 125.80
条件2 2.58 1.34 58303 159.87
条件3 3.12 2.69 35844 98.28
条件4 3.14 2.73 35461 97.23
4 不同埋管长度和不同负荷比例地源热泵模拟结果
4.1 不同埋管长度地源热泵系统模拟结果
运行特性的理论分析已经表明，适当增加埋管换热器长度、降低单位埋管换热器长度换热量，可进一步提高地源热泵的运行节能效果。对应着本文研究的地源热泵实验系统的埋管换热器长度480m（2眼埋管井，井深120m），现考虑一埋管换热器系统，当埋管换热器长度增加到600m（3眼埋管井，井深100m）时，满足同样供热量和制冷量的全年运行能耗对比见表4、冬季和夏季的模拟结果对比见图7和图8。
表4 不同埋管长度全年运行能耗比较
埋管长度 m 冬季制热系数 夏季制冷系数 全年运行能耗kWh 能耗比值％
480 3.10 2.62 36470 100
600 3.24 3.06 32945 90.33
图7 冬季启动工况性能对比 图8 夏季启动工况性能对比
模拟结果表明，当埋管换热器长度增加后，冬季埋管吸热量、热泵供热量、埋管进出水温度和制热系数都有较大程度提高；夏季埋管进出水温度降低、埋管排热量和热泵制冷量、热泵制冷系数也有较大程度的提高。全年运行能耗的比较也说明，当埋管长度增加了25％后，运行能耗降低了9.67％。不同埋管换热器长度的地源热泵运行特性的模拟结果说明，在地源热泵系统设计和方案规划时，应综合考虑系统初投资和运行费用的大小，合理确定埋管长度。
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