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1、地源热泵设计要点摘要：在本研究中主要阐述了地源热泵的运行原理以及该系统分类和施工要点， 目前在建筑行业中地源热泵系统成为了该行业的重要应用技术，其在节能环保方 面具有显著优势。除此之外，结合不同地域热泵系统特点和行业标准，针对地源 热泵的系统优化设计理念和施工方法进行分析，能够为地源热泵系统设计和施工 提供科学依据。关键词：地源热泵；设计；施工引言地源热泵系统是通过利用水体或地下土壤中的太阳能资源，将其作为冷热源开展能量转 换的重要系统，水体以及地表土壤是太阳能集热器，其吸收了大约46%的太阳辐射能，人类 每年需要耗费的能量仅约1/500，因此是一种动态能量平衡系统。水体和地表土壤能够保持 能
2、量发散和接收平衡。对于低于一定深度的地表土壤，水体温度是保持恒定的，也使研究学 者利用储存其中的太阳能成为可能，从一定程度上来看，地源热泵实质上是一种重要的可再 生能源。1技术原理分析从地源热泵系统的技术原理上来看，该系统是通过输入少量高位能源，进一步能够由浅 层地位地能向高位能源转移的技术，能够充分利用地下土壤或水体中的热量能量，将其转移 到目标区域，并实现采暖、制冷等使用。除此之外，地源热泵还可利用地下土壤或水体中的 蓄热蓄冷能力，在冬季，能够从地下将热量转移到建筑物中，而在夏季能够将地下冷量转移 到室内，在这一过程中输送能耗是比较少的。低位热源包括地表水，地下水和土体；供热空 调系统是由
3、地热能交换系统，水源热泵机组和建筑物内系统构成的，我们将这些热源系统统 称为地源热泵系统。从一定程度上来看，地源热泵系统具备一机多用和高效节能的特点，其 对外界环境的污染较小，后续使用维护简单，具有较广的选择范围。目前地源地泵系统应用于办公楼，宿舍，医院，学校等多个建筑领域中，由于受到低位 热源条件影响，当前部分地区无法使用该系统，结合地热能交换系统可将其分为三种形式： 地埋管地热地源热泵系统地下水、地源地热泵系统和地表水地源热泵系统，在系统设计前需 要进行浅层地热能和工程地质勘查，结合实际情况选择合适系统。2地源热泵系统优化设计方式在设计利用热泵系统时关键是要做好地下设计，而在设计之前买埋选
4、材和管径，需要综 合判断选定在夏热冬暖的一些区域，其最低温度达到零下5C，虽然部分城市未采取集中供 暖，但在冬季供暖时间短，热量所耗费较少。空气热源泵在一定程度下具有较高的应用效率， 基本能够满足人们使用需求，前期投资成本少，因此对于这种地区来说较多采用的是空气源 热泵，而其余区域尤其在冬冷夏热的地方，未使用集中供暖时相比空气源热泵来说，土壤热 源泵具有显著优势。如三个区域最低温度均能够达到零下10C，随外界温度降低，采用空气 源热泵使其运行效率会显著降低，这种情况下所需要供暖制热量增加，因此相比空气源热泵 地热源热泵具有显著优势。2.1埋管形式地下换热器采用套管和u型管这两种方式，套管能够从
5、一定程度上增加土壤、介质的换 热面积，具有良好的换热效果，但外腔、内腔流体换热会引发一定热损失。此外，套管密封 难度高，因此国内产量较少，u型管中介质是在管内流动的，由于受到管径限制，其流速流 量较小，发热效果差，但u型管有专用管接头，采用热熔焊接的方式，将u型管和管接头进 行连接，具有良好密封性。根据地源孔中u型管数量不同，其地下换热器可分为单入管，双 入管，土壤和单u管接触面积大，无论对于冬季取热或夏季排热来说，相比单u管单位面积 的换热量较高，在相同冷热负荷条件下可以使用双u型管埋管，进而减少钻孔深度，降低成 本。但同时管材费用高，因此需要结合实际情况进行埋管方式选择。2.2埋管深度在确
6、定埋管形式和技术设计的基础上，单孔埋管深度也是十分重要的，土壤中的能量主 要来源于太阳能，大部分为地心热量，随地表深度增加，土壤温度越来越高。根据研究表明 每增加100米深度，其土壤中的温度会提高3C，因此需要加大埋管深度，进一步提升地下 换热器的换热性能。2.3地下换热器的连接对于一些大型低下换热器来说，其系统额合理设计对于换热器的性能、成本来说是十分 重要的，目前水力平衡是影响地下换热器性能的关键，要想解决这一问题，首先在系统管路 异程连接和平衡阀。其次，需要实现同程连接设计，相比异程-平衡阀来说同程连接效果较好。 但对于一些大型地源热泵系统来说，采用同程连接时会增加管材的耗费量，导致最终
7、成本升 高，为保证地源热泵性能降低成本，通常采用局部工程或者局部异程平衡阀的连接方式，以 提升地下换热器的整体性能。3地源热泵的施工要点分析3.1换热器的埋管在具体施工过程中，对于换热器埋管采取两种方式：第一，竖直埋管；第二，水平埋管， 对于水平埋管方式来说其前期投资成本低，且对于施工技术要求较低，目前被广泛用于地源 热泵系统施工中，但采取这种埋管方式后期维护成本高，因此目前采用较少。相比水平埋管 来说，竖直埋管技术具有显著优势，其受客观因素影响较小，而且在施工过程中开发面积小， 在完成施工之后能够使地源热泵系统获得良好恒温效果，维护成本低，因此在地源热泵系统 中可以广泛应用竖直埋管技术。竖直
8、埋管换热器采用u型管，回路布置时有并联和串联这两 种连接方式，采用串联系统时能够确保管道高换热性且具备单一流程，容易排除其余的空气 废渣等，但单位长度内承受压力较大，施工成本高，且在施工过程中技术要求较高。采用并 联系统时安装成本低，要求并联线路流量保持平衡，对系统排除空气、废渣要求较高，在换 热管材料方面应当考虑材料耐腐蚀性，目前常采用的材料包括高密度聚乙烯管，这些材料具 有良好耐腐蚀性，成本低且能够延长使用寿命。3.2钻孔针对竖直埋管换热器，在具体施工过程中钻孔是其关键环节，钻孔过程中需要结合地质 条件进行合理选择相对应的技术，对于一些土体较好的施工地面来说，可采取裸孔钻井技术。 而对于孔
9、壁容易塌陷的区域，需要进行下套管，调整孔径大小和钻头直径，结合建筑面积负 荷以及回填材料确定相对应的钻进深度，在大型工程施工前还需要开展实地调研测量，并利 用计算机软件开展数据分析，整理比对数据后确定合适的钻孔方式。3.3下管完成钻孔后需要开展下管，包括机械下管和人工下管这两种方式。为确保工程施工顺利完成，需要合理选择下管方式，通常工程取热量是由下管深度来决定的，因此在施工时需要 合理选择下管深度。钻孔后孔洞会存在一定的泥沙，积水，会对后续放管产生不利影响，因 此需要在短时间内置入u型管，采取有效固定方法，防止出现u型管上浮影响后续施工。此 外，在套管时需要计算u型管进出水管和内外管同轴度间距
10、，针对u型管换热器可以适当加 入弹簧，以减少两管之间的回流热量。3.4回填工序回填工序即灌浆封井，在施工时需要通过施压实验以确定埋管是否存在泄漏，在保证管 路无线路的基础上，采取特殊材料完成灌注，钻孔之后的泥浆是目前施工中常常使用的灌浆 封井材料，需要注意所使用的灌浆封井材料中无大颗粒物质，防止出现灌浆空腔问题，降低 传热性能。灌浆封井主要是为强化埋管和钻孔壁的导热性，以实现良好密封效果。小结总而言之，目前随着国家经济建设的发展，人们环保意识的强化，地源地热系统具有良 好环保效应，目前在建筑施工中以大量使用，但在实际施工时同样暴露了很多问题，要求施 工人员需要不断总结经验，引进先进技术，经验，以完善国内地源地泵系统优化设计。参考文献：1 魏俊辉，褚赛，刘启明.基于数值模拟计算的地源热泵系统精细化设计J.建筑节能， 2020.2 黄新江，刘成刚.基于监测数据的土壤源热泵系统设计优化分析J.工业安全与环保， 2020.3 林真国，王梓弋，王勇.地源热泵垂直埋管换热器埋深优化研究J.昆明理工大学学报:自 然科学版,2020(2):74-80.
