基于地热泵的室内设计的研究
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摘要：地源热泵系统可以分为室内以及室外系统两大部分，其中室内系统主要存在两种主要形式，即分散式以及中央式，对于大部分的建筑物而言，上述两种形式进行混合地使用。本文主要针对地源热泵的室内设计进行了研究，首先对安装有地源热泵的建筑物负荷进行了计算，然后介绍了地源热泵的室内系统。
关键词：地源热泵；室内设计；分散式；中央式
0 引言
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源进行供热、供冷的新型空调器。由于其热源温度比较高，全年稳定，不随外界环境温度的变化而变化，所以不管是冬季供暖，还是夏季制冷，地源热泵的COP都要比其他热源形式的热泵高出很多。目前地源热泵在许多国家已经得到普遍的应用。我国一些城市已建立了地源热泵示范工程，但是推广还存在一定的难度。例如在对其经济性方面的考虑，那么这就需要对地源热泵的室内设计有一个很好地规划及安排。地源热泵空调系统与传统空调系统相比，具有节能、运行费用低等特点，是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。地源热泵与传统的空调系统相比，对建筑物内部空调系统来说，在设计上没有大的差异，其最大的不同在于地源热泵多了一个地热换热器。因此，地源热泵技术应用的关键和难点是对地热换热器进行合理的设计、施工与安装，使其与热泵辊缀和空调末端系统更好匹配。在设计地热换热器之前，应收集当地相关的地质勘探资料，必要时在埋管地点钻孔勘测；明确当地的地质、水文、气候特点，并对埋管位置岩土的热物性进行现场测试；然后根据岩土地质勘察结果评基地埋管换热系统实施可行牲及经济性。本文主要针对地源热泵的室内设计进行了研究，首先对安装有地源热泵的建筑物负荷进行了计算，然后介绍了地源热泵的室内系统。
1 地源热泵概述
地源热泵是以地下土壤层为冷(热)源对建筑物实现夏季供冷、冬季供热的技术。根据热力学第二定律，热泵的本质是本身消耗一部分能量，把热量从低温吸到高温。当地源热泵处于夏季制冷工况时，热泵把建筑物内的热量取出来，释放到土壤中。当地源热泵处于冬季供热工况时，热泵把土壤中的热量取出来，供给建筑物。热泵的C0P与循环的：l：：作温度有关，冷凝温度越低，蒸发温度越高，C 0 P越高。由于土壤层的温度具有夏季较地面的空气温度要低，冬季较地面温度高的特点，地源热泵的C 0 P要优于空气源热泵，与传统的空气源热泵相比，要高出4 0％左右，其运行费用为普通中央空调的5 0～6 0％。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
2 地源热泵的室内设计
2.1地源热泵竖直埋管换热器的设计
地埋管换热系统设计前应明确埋管区域内各种地下管线的种类、位置及深度，预留未来地下管线所需的埋管空间及埋管区域进出重型设备的车道位置。地埋管换热器应根据可使用地面面积、岩土体地质勘察结果及挖掘成本等因素确定埋管方式。
2.1.1埋管的连接方式
地热换热器管路连接可采用串联和并联两种方式。具体采用何种方式，主要取决于安装成本。在串联系统中只有一个流体通道，而在并联系统中流体在管路中可有两个或更多的流体通道。在地热换热器中，虽然串联方式管内流体流动速度高于并联系统，但由于地热换热器的热阻主要是塑料管壁与岩土之间的热阻，串联连接的总传热系数并没有显著提高，而串联系统成本比并联系统成本要高。因此，在一般工程中常采用并联系统，为了保持各环路之间的水力平衡，并联系统可采用同程系统。
2.1.2地热换热器的埋管方式
地埋管换热器有水平和竖直两种埋管方式。当可利用地表面积较大，地表层不是坚硬的岩石时，宜采用水平埋管方式。水平埋管根据一条沟中埋管的多少又分为单管、双管、多管和螺旋管等多种形式。考虑到我国人多地少的实际情况，在大多数情况下竖直埋管方式是唯一的选择，此处主要介绍竖直埋管。竖直式地热换热器的构造有多种，主要有竖直U型埋管和竖直套管。在没有合适的室外用地时，竖直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩埋设，即将U型管捆扎在基桩的钢筋网架上，然后用混凝土使U型管固定在基桩内。竖直u型埋管的换热器采用在钻孔中插入U型管的方法，一个钻孔中可设置一组或两组U型管。然后用封井材料把钻孔填实，以尽量减小钻孔中的热阻，并防止地面污水流入地下含水层。
2.2 建筑物负荷计算
地源热泵室内系统设计，首先要核算建筑物的建筑面积和空调面积，而要计算空调面积，就要对建筑物进行空调分区，并根据每个分区的面积、结构、功能和用途，计算出每个分区的负荷。对分散式系统来说，每个分区的冷热负荷是该分区机组的选型依据；而中央式系统则要将各个分区的负荷相加，同时需要考虑输送过程中的冷热损失，最终确定项目总的冷热负荷。地源热泵系统的负荷值是系统设计、机组选型和配套设备选择的重要参考依据。现代建筑的进深一般都比较大，具有多个朝向且功能用途不同，使得不同空间的冷热湿负荷都不一样，因此设计系统时空调分区非常必要。一个空调分区可以配置一个或多个温控器，可以根据需要设置一台或多台机组，或在中央式系统中通过风系统或水系统承担负荷。但是，在同一空调分区中，每一时刻的负荷特性应相同，全为冷负荷或全为热负荷。影响室内不同区域冷负荷的因素有外墙和屋面的逐时冷负荷、外窗温差传热冷负荷、外窗太阳辐射冷负荷、内围护结构的传热冷负荷、人体冷负荷、灯光冷负荷等，在一些特殊环境中还要考虑设备冷负荷、食物显热散热冷负荷、伴随散湿过程中的潜热冷负荷等。影响热负荷的因素有围护结构基本耗热量，人员、灯光和设备散热量，内区散热量以及附近热负荷，包括朝向修正率、风力附加和高度附加。
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