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【摘 要】本工程介绍了地源热泵的设计方案情况，并对地源热泵的原理进行分析。结合工程实例从设计、施工、运行管理等方面进行了分析。
【关键词】地源热泵；风机盘管；垂直埋管；冷热源；制冷；制热
Engineering design of a heat pump system
Xin Yu-fu1,Ma Cui-yun2
(1.Zibo Institute of Architectural Design Zibo Shandong 255000 ；
2.Zibo Zhida Architectural Design Co., Ltd Zibo Shandong 255000)
【Abstract】This project describes the ground-source heat pump design conditions, and ground source heat pump principle for analysis. With practical examples from the design, construction, operation and management aspects of the analysis.
【Key words】Ground-source heat pump;Fan coil;Vertical pipe;Hot and cold source;Refrigeration;Heating
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。 其中地源热泵机主要有两种形式：水——水式或水——空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供热又可制冷的高效节能空调设备。地热热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1KWh的能量，用户可以得到4KWh以上的热量或冷量。
地源热泵的埋管形式有垂直埋管和水平埋管。垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50～150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。垂直埋管是的地源热泵系统的主要方式，得到政府部门大力支持。水平埋管敷设在大地表层，在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。下面对实际工程的设计方案进行介绍：
图1
1. 工程情况介绍
本工程为某住宅小区二期地源热泵系统中央空调工程，其中C1组团地上总建筑面积约33220.62平方米（住宅）。C2组团地上总建筑面积约38574.14平方米（住宅）。C3组团地上总建筑面积约36467.4平方米，其中住宅地上面积约31267.4平方米，公建地上面积约5200平方米。
2. 工程的设计原则及范围
以“环保节能、营造舒适环境”为主导设计思想，按照国家相关规范和要求为设计依据对该工程进行设计。系统设计充分利用可再生能源，并且可以降低用户的运行费用。
3. 设计依据
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
《全国民用建筑工程设计技术措施》暖通动力
《室外给水设计规范》
建设方对本工种的设计要求
5. 末端系统的设计
根据建筑物使用的特点，末端系统采用风机盘管系统；风机盘管机组主要是由低噪声离心风机、电机、高效换热盘管组成，是中央空调系统的末端装置，设计先进，品种齐全、性能优越，用途广泛，通常用于宾馆、公寓、大楼等处，为人们创造一个清新宁静、四季如春的工作和生活环境。效率高、能量足，盘管采用无缝紫铜管与铝质正弦波型散热片，经过滤液压或机械胀管而成，翅片与铜管间绝对紧密，能发挥最佳换热效果。安装方便、保养容易，机体紧密、重量轻巧、特别设计简易的水管与电源连接方式安装精确保保养容易。空调水系统采用闭式机械循环系统形式。（见图1）
6. 冷热负荷计算
冷热负荷计算公式：Q = q×F
式中：Q ——总负荷
F——空调面积
q ——单位面积负荷指标
7. 冷热源方案的选择
空调系统工程选用何种设计方案主要从以下几个方面来考虑：
（1）能源状况：考虑工程所在地的环境因素，电力、水资源、城市煤气、天然气等的供应与价格；
（2）室外气象参数；
（3）建筑物的用途、工艺和使用特点；
（4）空调设备质量和运行效果；
（5）系统方案的优化设计，整个工程的初投资与运行费用、日常维护等方面的费用减少；
（6）鉴于以上原因，我公司在设备的选型设计上考虑采用地源热泵。
8. 冷热源方案的初步设计
8.1 在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽——液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所需携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒——空气热交换器，以13～7℃的冷风的形式为房间供冷。工艺流程如图2：地源热泵工作原理图（制冷模式）
图2 地源热泵工作原理图（制冷模式）
图3 地源热泵工作原理图（制热模式）
8.2 在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过水路切换将水流动方向切换。由地下的水路循环吸收地下水或土壤的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下热量不断转移至室内的过程中，以35～50℃的热风的形式向室内供暖。工艺流程如图3：地源热泵工作原理图（制热模式）
由于小区面积较大，为了使用维护更加经济，减少外网损失，拟设计为两个独立的中央空调机房：
8.2.1 1#机房供C1组团和C2组团的供冷供热，根据冷热负荷的计算和建筑物的使用功能机房拟选用三台GSHP1430型地源热泵机组，机房最大总用电量约为1320Kw。
机组在水源工况下的技术参数见表4。
夏季提供7/12℃的空调冷水；冬季提供45/40℃的空调热水；冷热水系统为两管制闭式机械循环系统，工作压力0.4MPa～1MPa。采用一次泵定流量系统。末端系统循环水泵与主机一对一运行，设计一台备用泵，水泵之间加串联阀门，以便水泵之间互为备用。机房水系统采用落地式定压罐定压。为保护机组和系统的正常运行，系统补水应用软化水，拟设计软化水设备一套并软化水箱一个。
机房面积约220平方米；机房需要补水，补水量为7T/H，补水管规格为DN50；要求甲方做设备的基础；电源提供到配电柜的上口；
根据提供的资料以及现场勘察的结果，采用竖直地埋管换热器，采用高密度聚乙烯管，管径为32。在没有做实验井的情况下，本工程拟设计690孔，每个孔有效深度为100米，换热器分区控制。采用双U型连接，埋管孔位间距3～5米，为避免水利失调，管道采用同程序。打孔位置初步设计在建筑周围的绿化带处，需要打孔面积约为9792平方米。
8.2.2 2#机房供C3组团的供冷供热，根据冷热负荷的计算和建筑物的使用功能机房拟选用两台GSHP1020型地源热泵机组，机房最大总用电量约为780Kw。机组在水源工况下的技术参数见下表5。
夏季提供7/12℃的空调冷水；冬季提供45/40℃的空调热水；冷热水系统为两管制闭式机械循环系统，工作压力0.4MPa～1MPa。采用一次泵定流量系统。末端系统循环水泵与主机一对一运行，设计一台备用泵，水泵之间加串联阀门，以便水泵之间互为备用。机房水系统采用落地式定压罐定压。为保护机组和系统的正常运行，系统补水应用软化水，拟设计软化水设备一套并软化水箱一个。
机房面积约150平方米；机房需要补水，补水量为5T/H，补水管规格为DN50；要求甲方做设备的基础；电源提供到配电柜的上口；
根据提供的资料以及现场勘察的结果，采用竖直地埋管换热器，采用高密度聚乙烯管，管径为32。在没有做实验井的情况下，本工程拟设计330孔，每个孔有效深度为100米，换热器分区控制。采用双U型连接，埋管孔位间距3～5米，为避免水利失调，管道采用同程序。打孔位置初步设计在建筑周围的绿化带处，需要打孔面积约为4608平方米。
9. 地源热泵的优点
9.1 一机多用：地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
9.2 维护费用低：地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。
图4 地源热泵与其它制冷方式运行费用比较
9.3 自动运行：地源热泵机组由于工况稳定，可以设计成简单的系统，部件较少，机组运行可靠，维护费用用低，自动控制程度高，使用寿命长。
9.4 节省空间：没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
9.5 无环境污染：地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排，减少了能源浪费和降低废气排放。
10. 地源热泵的缺点
10.1 占地面积大：无论采用何种形式，地源热泵系统均需要有可利用的埋设地下换热器的空间，如道路、绿化地带、基础下位置等。
10.2 初投资较高：土方开挖、钻孔以及地下埋设的塑料管管材和管件、专用回填料等费用较高。
地源热泵与其它制冷方式运行费用比较见图4。
11. 结语
地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%，属于比较节能的空调系统形式。但在工程中需注意做到冬季取热与夏季放热的均衡。由于实际工程的复杂性，地源热泵设计的条件多种多样，遇到具体问题应具体分析。笔者在本工程实践中一点体会，提出仅供有关人士参考。
参考文献
［1］ 中华人民共和国建设部《采暖通风与空气调节设计规范》，GB 50019-2003，中国计划出版社，2003.
［2］ 刁乃仁 地源热泵空调技术原理与应用， 山东建筑大学地源热泵研究所.
［3］ 陆耀庆 主编 《实用供热空调设计手册》（第二版），中国建筑工业出版社，2008.
［4］ 中国建筑标准设计研究院 《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调•动力》，中国计划出版社，2009.
［文章编号］1006-7619（2011）06-22-633
［作者简介］ 辛玉富（1976.08-），男，学历：学士，职称，工程师，注册资格，注册公用设备工程师（暖通空调），研究方向，暖通空调。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】地源热泵；风机盘管；垂直埋管；冷热源；制冷；制热
Engineering design of a heat pump system
Xin Yu-fu1,Ma Cui-yun2
(1.Zibo Institute of Architectural Design Zibo Shandong 255000 ；
2.Zibo Zhida Architectural Design Co., Ltd Zibo Shandong 255000)
【Abstract】This project describes the ground-source heat pump design conditions, and ground source heat pump principle for analysis. With practical examples from the design, construction, operation and management aspects of the analysis.
【Key words】Ground-source heat pump;Fan coil;Vertical pipe;Hot and cold source;Refrigeration;Heating
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。 其中地源热泵机主要有两种形式：水——水式或水——空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供热又可制冷的高效节能空调设备。地热热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1KWh的能量，用户可以得到4KWh以上的热量或冷量。
地源热泵的埋管形式有垂直埋管和水平埋管。垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50～150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。垂直埋管是的地源热泵系统的主要方式，得到政府部门大力支持。水平埋管敷设在大地表层，在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。下面对实际工程的设计方案进行介绍：
图1
1. 工程情况介绍
本工程为某住宅小区二期地源热泵系统中央空调工程，其中C1组团地上总建筑面积约33220.62平方米（住宅）。C2组团地上总建筑面积约38574.14平方米（住宅）。C3组团地上总建筑面积约36467.4平方米，其中住宅地上面积约31267.4平方米，公建地上面积约5200平方米。
2. 工程的设计原则及范围
以“环保节能、营造舒适环境”为主导设计思想，按照国家相关规范和要求为设计依据对该工程进行设计。系统设计充分利用可再生能源，并且可以降低用户的运行费用。
3. 设计依据
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
《全国民用建筑工程设计技术措施》暖通动力
《室外给水设计规范》
建设方对本工种的设计要求
5. 末端系统的设计
根据建筑物使用的特点，末端系统采用风机盘管系统；风机盘管机组主要是由低噪声离心风机、电机、高效换热盘管组成，是中央空调系统的末端装置，设计先进，品种齐全、性能优越，用途广泛，通常用于宾馆、公寓、大楼等处，为人们创造一个清新宁静、四季如春的工作和生活环境。效率高、能量足，盘管采用无缝紫铜管与铝质正弦波型散热片，经过滤液压或机械胀管而成，翅片与铜管间绝对紧密，能发挥最佳换热效果。安装方便、保养容易，机体紧密、重量轻巧、特别设计简易的水管与电源连接方式安装精确保保养容易。空调水系统采用闭式机械循环系统形式。（见图1）
6. 冷热负荷计算
冷热负荷计算公式：Q = q×F
式中：Q ——总负荷
F——空调面积
q ——单位面积负荷指标
7. 冷热源方案的选择
空调系统工程选用何种设计方案主要从以下几个方面来考虑：
（1）能源状况：考虑工程所在地的环境因素，电力、水资源、城市煤气、天然气等的供应与价格；
（2）室外气象参数；
（3）建筑物的用途、工艺和使用特点；
（4）空调设备质量和运行效果；
（5）系统方案的优化设计，整个工程的初投资与运行费用、日常维护等方面的费用减少；
（6）鉴于以上原因，我公司在设备的选型设计上考虑采用地源热泵。
8. 冷热源方案的初步设计
8.1 在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽——液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所需携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒——空气热交换器，以13～7℃的冷风的形式为房间供冷。工艺流程如图2：地源热泵工作原理图（制冷模式）
图2 地源热泵工作原理图（制冷模式）
图3 地源热泵工作原理图（制热模式）
8.2 在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过水路切换将水流动方向切换。由地下的水路循环吸收地下水或土壤的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下热量不断转移至室内的过程中，以35～50℃的热风的形式向室内供暖。工艺流程如图3：地源热泵工作原理图（制热模式）
由于小区面积较大，为了使用维护更加经济，减少外网损失，拟设计为两个独立的中央空调机房：
8.2.1 1#机房供C1组团和C2组团的供冷供热，根据冷热负荷的计算和建筑物的使用功能机房拟选用三台GSHP1430型地源热泵机组，机房最大总用电量约为1320Kw。
机组在水源工况下的技术参数见表4。
夏季提供7/12℃的空调冷水；冬季提供45/40℃的空调热水；冷热水系统为两管制闭式机械循环系统，工作压力0.4MPa～1MPa。采用一次泵定流量系统。末端系统循环水泵与主机一对一运行，设计一台备用泵，水泵之间加串联阀门，以便水泵之间互为备用。机房水系统采用落地式定压罐定压。为保护机组和系统的正常运行，系统补水应用软化水，拟设计软化水设备一套并软化水箱一个。
机房面积约220平方米；机房需要补水，补水量为7T/H，补水管规格为DN50；要求甲方做设备的基础；电源提供到配电柜的上口；
根据提供的资料以及现场勘察的结果，采用竖直地埋管换热器，采用高密度聚乙烯管，管径为32。在没有做实验井的情况下，本工程拟设计690孔，每个孔有效深度为100米，换热器分区控制。采用双U型连接，埋管孔位间距3～5米，为避免水利失调，管道采用同程序。打孔位置初步设计在建筑周围的绿化带处，需要打孔面积约为9792平方米。
8.2.2 2#机房供C3组团的供冷供热，根据冷热负荷的计算和建筑物的使用功能机房拟选用两台GSHP1020型地源热泵机组，机房最大总用电量约为780Kw。机组在水源工况下的技术参数见下表5。
夏季提供7/12℃的空调冷水；冬季提供45/40℃的空调热水；冷热水系统为两管制闭式机械循环系统，工作压力0.4MPa～1MPa。采用一次泵定流量系统。末端系统循环水泵与主机一对一运行，设计一台备用泵，水泵之间加串联阀门，以便水泵之间互为备用。机房水系统采用落地式定压罐定压。为保护机组和系统的正常运行，系统补水应用软化水，拟设计软化水设备一套并软化水箱一个。
机房面积约150平方米；机房需要补水，补水量为5T/H，补水管规格为DN50；要求甲方做设备的基础；电源提供到配电柜的上口；
根据提供的资料以及现场勘察的结果，采用竖直地埋管换热器，采用高密度聚乙烯管，管径为32。在没有做实验井的情况下，本工程拟设计330孔，每个孔有效深度为100米，换热器分区控制。采用双U型连接，埋管孔位间距3～5米，为避免水利失调，管道采用同程序。打孔位置初步设计在建筑周围的绿化带处，需要打孔面积约为4608平方米。
9. 地源热泵的优点
9.1 一机多用：地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
9.2 维护费用低：地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。
图4 地源热泵与其它制冷方式运行费用比较
9.3 自动运行：地源热泵机组由于工况稳定，可以设计成简单的系统，部件较少，机组运行可靠，维护费用用低，自动控制程度高，使用寿命长。
9.4 节省空间：没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
9.5 无环境污染：地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排，减少了能源浪费和降低废气排放。
10. 地源热泵的缺点
10.1 占地面积大：无论采用何种形式，地源热泵系统均需要有可利用的埋设地下换热器的空间，如道路、绿化地带、基础下位置等。
10.2 初投资较高：土方开挖、钻孔以及地下埋设的塑料管管材和管件、专用回填料等费用较高。
地源热泵与其它制冷方式运行费用比较见图4。
11. 结语
地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%，属于比较节能的空调系统形式。但在工程中需注意做到冬季取热与夏季放热的均衡。由于实际工程的复杂性，地源热泵设计的条件多种多样，遇到具体问题应具体分析。笔者在本工程实践中一点体会，提出仅供有关人士参考。
参考文献
［1］ 中华人民共和国建设部《采暖通风与空气调节设计规范》，GB 50019-2003，中国计划出版社，2003.
［2］ 刁乃仁 地源热泵空调技术原理与应用， 山东建筑大学地源热泵研究所.
［3］ 陆耀庆 主编 《实用供热空调设计手册》（第二版），中国建筑工业出版社，2008.
［4］ 中国建筑标准设计研究院 《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调•动力》，中国计划出版社，2009.
［文章编号］1006-7619（2011）06-22-633
［作者简介］ 辛玉富（1976.08-），男，学历：学士，职称，工程师，注册资格，注册公用设备工程师（暖通空调），研究方向，暖通空调。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文