简述土壤源热泵系统

摘要：土壤源热泵系统同水源热泵系统一样是以水或其它换热液作为冷热能的载体。与水源热泵系统不同的是土壤源热泵系统通过埋设在地下的换热管与岩土体进行热交换，冬季把岩土体中的热量取出来，供给室内采暖；夏季把室内热量取出来，释放到岩土体中。

关键词：土壤；热泵；热量；埋管

Abstract： Water or other liquid is as the carrier energy in soil source heat pump system and water source heat pump system. Embedding ground-source heat pump system in the heat exchange tube and the rock mass of underground heat exchanger unlike water source heat pump system.Take out the heat in the rock mass during the winter， to supply heating indoor ； Take out the heat in the indoor，to release in the rock mass in summer.

Keyword： soil； heat pump； heat； pipe

一、 系统的结构

土壤源热泵系统由土壤热交换系统、热泵机组和末端系统三大部分组成。土壤源热泵系统是通过热泵机组将土壤热交换循环系统和末端供冷暖循环系统连接起来。

土壤热交换系统是由土壤热交换器、循环水泵和水管道等组成的闭式循环系统。

与地下水源系统不同的是用土壤热交换器代替抽水井和回灌井。土壤热交换器一般是垂直或水平埋设在土壤中的高密度聚乙烯管。

二、 工作原理

我们周围环境中一些低品味的能源可以通过热泵系统将其转化为高品位的能源，其中土壤耦合热泵就是将地热能这种低品位能源转化为可供人们利用的高品位能源的能量转化系统[1]。

水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将 HDPE 管水平的埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺。水平埋管式通常浅层埋设，工程量大而开挖技术要求不高，初期投资低于竖直埋管式；缺点是占地面积大，温度稳定性也较差，现在已很少采用。即便采用，也是引入热管等经过改进的技术。竖直埋管式工程量小，占地面积少，恒温效果好，维护费用少，适合于用地紧张的城市；缺点是技术要求较高，初期投资较大。垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下热交换器（HDPE 管）以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。竖直埋管式地热换热器目前应用较多，发展较快。它是在地面下竖直钻孔，在孔内埋入换热管，换热管的形式又有两种：U 型管式和套管式，目前以 U 型管应用较多。垂直埋管地热换热器计算的基础是单个钻孔（U 型管）的传热分析。在多个钻孔的情况下， 可以在单孔的基础上运用叠加原理加以扩展[2]。地下钻孔的孔径一般为 1O0～150mm，孔间距和深度取决于土层的热性质和气象条件并随地理位置而变。孔深一般为 1O0～300m，孔间距为 4～10m。钻孔总长度由建筑面积的大小而定。一般是每平米建筑面积钻孔长度 lm 左右。每一竖直钻孔内可放入一组或两组 U 型塑料管，管径 25～35mm，塑料管下端用 U 型接头接好，形成一个 U 型封闭管路。然后将钻孔与管道之间的空间填埋夯实，填埋材料可以采用当地土壤，也可以选用与当地土壤性质接近的混凝土。各钻孔内，管道之间的连接方式有串联和并联两种形式。串联形式就是换热介质依次流过每个钻孔内的 U 型换热管路之后再回到地面与热泵的制冷剂进行热量交换。计算钻孔内部热阻的更精确的方法是考虑钻孔内二维导热[ 3]。并联形式就是换热介质同时分配到地下各个钻孔内的换热管路，与土壤交换热量后。同时流回地面进入地面上的热泵与制冷剂交换热量，这两种方式各有利弊。串联系统的优点是：单一流程和管径；管道的线性长度有较高的热性能；系统的空气和废渣易于排除。

土壤源热泵系统同水源热泵系统一样，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。垂直和水平埋管土壤源热泵系统供的原理图见图 2―1和图 2―2。

图2―1

图2―2

三、 系统的特点

土壤源热泵系统是一种高效利用地下浅层地热资源的、既可以供热又可以制冷的环保型冷热源系统。

目前，国内外对地源热泵应用做了很多研究，但大部分都侧重于理论分析和计算机模拟，特别是对土壤源热泵系统运行费用的研究，大部分是采用能耗计算软件或其他能耗估算方法得到的[4- 5]。

土壤源热泵系统也具有水源热泵系统的诸多优点：（1）属可再生能源利用技术；（2）高效节能；（3）运行稳定可靠；（4）环境效益显著；（5）一机多用，应用范围广；（6）土壤源热泵系统更具有优势的是弥补了水热泵系统的缺陷，土壤源热泵系统不抽取地下水，所以不受地下水资源条件和地层结构的限制。

[1] 杨卫波，施明恒. 基于元体能量平衡法的垂直U 型埋管换热特性的研究[J]. 热能动力工程，2007（ 1） ： 96-97.

[2] 柳晓雷， 等. 竖直埋管地热换热器的传热模型于计算[ J] . 建筑热能通风空调， 2001， 21（ 1） .

[3] 曾和义， 方肇洪. U 型埋管地热换热器中介质轴向温度的数学模型[ J]. 山东建筑工程学院学报，2002， 17（1）.

[4] 曲云霞，方肇洪，张林华.太阳能辅助供暖的地源热泵经济性分析[J].可再生能源，2003，1：8- 10.