绿色建筑越来越多应用到土壤源热泵技术，不可多得的设计攻略分享

（1）土壤源热泵的工作原理

土壤源热泵，又称地下耦合热泵（ground-coupled head pump systems)或者地下热交换器热泵系统ground head exchanger)，它通过中间介质（通常为水或者加入防冻剂的水溶液）作为载冷剂，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中流动循环，从而实现与土壤进行热交换。

土壤源热泵系统保持了地下水水源热泵利用大地作为冷热源的优点，传热过程中使制冷剂和土壤之间的温差在这两个季节中都相对提高，热交换率也会相应地提高，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。因此，土壤源热泵系统在运行时要比其他热泵系统具有更好的环保效益。

（2）土壤源热泵的分类

    按地下埋管形式，土壤源热泵可分为水平埋管热泵和垂直埋管热泵。垂直埋管一般认为其性能优于水平埋管系统，但施工难度相对高一些。

    水平埋管系统有单层和双层两种形式，可采用U形、蛇形、单槽单管、单槽多管等形式，其中单层是最早也是最常用的一种形式，一般的设计埋管深度为0.5~2.5m之间。由于土壤饱和度不同，壕沟深度也不同。若整个冬季土壤均为处于饱和状态，壕沟的深度一定要大于1.5m。同时，用于采暖管埋深超过1.5m蓄热就慢，而小于0.8m，盘管就会受地面冷却和结冻的影响，另外，管间距小于1.5m，盘管间可能会产生固体冰晶并使春季蓄热减少。双层系数一层约在1.2m深再辅设另一层。

    垂直埋管热泵系统有浅埋和深埋两种。浅埋深度为8~10m，安装成环形，六边形或直角形，这种设计是由Ambrose 在1946年提出的，增大外壳直径是为了提高热交换性能。深埋的钻孔深度由现场钻孔条件及经济条件决定，一般33~180m，介质在垂直的U形弯管中循环，为了减少泵容量，有必要采用平行埋设，在垂直埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性受地表温度影响较小，因此能有利于保证冬季散热与夏季得热间土壤的热平衡。平衡的方法可以采用集热器，在夏季集中热量并送入地下加热土壤，或使热泵反转在夏季为土壤加热，以备冬季之用，集热设备一般采用太阳能和风能集热，此类设备具有高蓄热能力，温升能力。

    垂直埋管热泵系统较水平系统有许多优点，首先它不像水平埋管系统那样需要大的场地面积。其次在许多地区，地面以下的一段距离，土壤处于湿度饱和状态，而这段距离又正是热交换器所在的位置，因此对热交换有利。在制冷季节，水平系统流入盘管中的溶液加热了饱和的土壤层使水分降低，从而降低了土壤热导率，使得热交换的效率也降低。而垂直埋管中，这咱水分转移只有很小的一部分。

    按有无中间流体分类，土壤源热泵分为一次流体地耦热泵和直接膨胀式地耦热泵系统，一次流体地耦热泵即在制冷剂和大地之间存在一种中间流体，多为水、盐水或乙二醇溶液；另一种用得较少的系统是直接膨胀式地耦热泵系统，即利用大量制冷剂直接在地下盘管内与环境进行热交换。

    近年在国外出现了直接膨胀式土壤源热泵系统并已大规模使用，奥地利60%的热泵都采用这种技术。这种系统中没有中间换热工质（通常是水或加有防冻液的水溶液）和中间换热器，将热泵机组内的制冷剂钢管环路直接埋入地下，实现制冷剂和土壤的直接热交换，与间接式土壤源系统相比较，直膨式系统具有以下优点；泵功率降低，能效比提高；系统简单，安装方便，初投资低；土壤热交换器的换热效率提高，埋管所需土地面积减少。，我国土地资源紧缺，这种技术值得关注。

2.土壤源热泵系统的设计与应用

1）土壤源热泵系统设计

土壤源热泵系统与常规空调冷、热源系统设计的主要差别是地下热交换器的设计 。地下热交换器设计则主要包括以下内容。

（1）选择地下热交换器形式

地下热交换器形式的选择主要包括埋管形式和流程的选择。在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积，当土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。垂直埋管大致有U型管、套管型、单管型三种，其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。

地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力，因此，实际工程一般都采用并联同程式。

（2）选择管材

    一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀，同时还具有较好的导热性能。土壤源热泵系统中一般采用塑料管材，目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB)管材。尽管金属具有良好的导热性，但它们的导热性能与高密度聚乙烯相差不多，且而腐蚀性差，造价昂贵，因此较少采用，聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB)管材可以弯曲或势熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上。

（3）确定管径

    由于土壤热交换与管径并没有很明显的关系，管径的选择是出于管道压力损失而产生的运行费用与管道造价的折中考虑，一般取20~50㎜.地下热交换器埋管常用管径有20、25、32、40、50㎜.管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下，或把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下。

（4）确定竖井埋管管长

地下热交换器长度的确定需要已知系统布置和管材、管径、土壤技术资料，地下温度，采用成熟的模拟软件进行详细的传热计算，作为近似计算可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，受许多复杂因素影响，换热能力是土壤热泵系统设计中最关键的一个设计参数，也是一个最难确定的参数。粗略估计，一般取垂直埋管为70~110W/m（井深）。或35~55W/m（管长），水平埋管一般为20~40W/m（管长）。

（5）确定坚井数目及间距

    国外坚井深度多采用50~100m，设计者可以在此范围内选择一个坚井深度，如果已确定埋管管长，代入下式计算坚井数目。

    分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。然后对计算结果进行调整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深 ，否则钻孔和安装成本将大大增加。

    有资料指出U型管竖井的水平间距一般为4.5m，也有工程实例中提DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m。

    地下换热器的计算结束后，其余设计计算则与常规空调系统冷、热源系统设计计算相同。

   2）土壤源热泵的应用

   （1）土壤热泵系统的优点

    由于一年四季地下的环境温度比较稳定，温度始终维持在比较适宜的10~20℃范围内变化，土壤热泵系统的制冷系数与制热系数都相应要比空气热泵系统高20%~40%；土壤热泵系统的全年的制冷量与制热量输出（能力）比较稳定，没有“逆反”效应，避免了空气源热泵存在的除霜损失。

（2）土壤热泵系统的缺点

由于地下钻井打眼、埋管都需要高额的工程建设费，土壤热泵系统的初投资较高；埋地换热器受土壤性能影响较大，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响；连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动；土壤导热系数较小，换热量较小，已有的经验表明，其持续吸热速率一般为25W/㎡，所以当供热量一定时，换热盘和占地面积较大，埋管的敷设无论是水平开挖布置还是钻孔垂直安装，都会增加土建费用。

（3）土壤源热泵系统的适用条件

     任何一项节能措施都有其适宜性，土壤热泵技术也不例外，当土壤热泵的供暖系数不超过2.5时，如果电厂发电效率以0.3计，则土壤源热泵的一次能源效率仅为0.75，其节能性与锅炉供热相比就失去了优势。土壤热泵应尽量应用于冷热负荷累积量平衡的项目，在夏热冬冷地区应用效果较好，而在严寒或者夏热冬暖地区应用效果较差。对于垂直埋管土壤热泵最适合的规模是在350kW以下。