地源熱泵中央空調(diào)是一種將熱量排入地表層或從地表層吸收熱量的中央空調(diào)，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統(tǒng)。它的原理是在高位能的拖動(dòng)下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術(shù)。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)化為可利用的高位能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。

 

  能源與環(huán)保是人類生存和發(fā)展的兩大主題，是全球關(guān)注的問題。節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境是基本國策，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已經(jīng)是全社會(huì)的共識(shí)。隨著我國建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，減少建筑物采暖造成的大氣污染，降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源，是21世紀(jì)我們追求的目標(biāo)。

 

  眾所周知：中央空調(diào)系統(tǒng)的熱泵效率與建筑物室內(nèi)和室外環(huán)境的溫差有關(guān)，溫差越小，熱泵的效率越高。有研究表明，從熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行中除霜的角度來看，空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關(guān)，而且與室外大氣的相對(duì)濕度有密切關(guān)系，這大大限制了它的使用范圍。采用地源熱泵系統(tǒng)，由于土壤的溫度比室外空氣溫度更接近室內(nèi)的溫度，因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有更高的效率和更好的可靠性。此外，因?yàn)橄嗤w積流量水的熱容是空氣的3500倍，水與制冷劑的換熱效果遠(yuǎn)好于空氣與制冷劑的對(duì)流換熱，因此地源熱泵的換熱盤管要比空氣源熱泵小得多且地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)件較少使其運(yùn)行費(fèi)用可以降低。

 

  總的來說，地源熱泵中央空調(diào)比傳統(tǒng)中央空調(diào)相比較有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

 

  1）高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70—90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，而地源熱泵提供給用戶的熱量中，70%的能量來源于土壤，30%的能量來自電能，因此，它要比電鍋爐加熱節(jié)省二分之一以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省三分之二以上的能量；由于地源熱泵的熱（冷）源溫度較為穩(wěn)定，一般為10—25℃（如北京地區(qū)約為15℃、上海地區(qū)約為18℃），故無論是制熱還是制冷，與傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)（家用分體式和中央式）相比，其能源效率要高出40-50%左右，而且，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，使能源利用和室內(nèi)環(huán)境舒適度的協(xié)調(diào)達(dá)到最優(yōu)，從而在以人為本的前提下更有效地節(jié)省能源。

 

  2）利用可再生能源，環(huán)保效益好。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所利用的地?zé)豳Y源是地表淺層中蘊(yùn)藏的低溫位熱能，地表淺層通常小于400米深，隨著季節(jié)的變化而收集了47%的太陽能，這種地能超過人類日常利用能量的500倍，是一種不受地域限制的取之不盡的可再生能源。地源熱泵系統(tǒng)在供暖和制冷時(shí)，無燃燒、無排煙、無廢棄物，不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，也無任何氣體排放到大氣中，環(huán)境效益顯著，如能得到廣泛應(yīng)用，則可大大降低溫室效應(yīng)，減緩地球變暖進(jìn)程。

 

  3）運(yùn)行安全穩(wěn)定，可靠性高。可由溫控器或遙控器對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行控制，使室內(nèi)溫度按需要調(diào)節(jié)在設(shè)定的溫度范圍；空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)均勻，噪音小、舒適性好；熱泵機(jī)組體積不大，可根據(jù)建筑物本身結(jié)構(gòu)及用戶要求安裝在室內(nèi)或室外，省去了鍋爐房、冷卻塔、室外機(jī)等室外設(shè)備，無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等安全及衛(wèi)生隱患。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修量極少，保證嚴(yán)寒和酷暑條件下正常運(yùn)行，熱泵機(jī)組使用壽命在20年以上，地耦管壽命可達(dá)70年。

 

  4）一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣一套系統(tǒng)可供暖、制冷并供生活用熱水，功能優(yōu)于原來的鍋爐加空調(diào)加熱水等幾套裝置；可針對(duì)賓館、飯店、寫字樓、商場、醫(yī)院、學(xué)校及住宅小區(qū)等建筑物的不同面積和用戶的不同需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可廣泛應(yīng)用于新建工程或擴(kuò)建、改建工程項(xiàng)目。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)包括水循環(huán)系統(tǒng)、土壤換熱裝置（打井或埋設(shè)地耦管）、室內(nèi)換熱裝置（風(fēng)機(jī)盤管或原暖氣片利用）及整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置，可根據(jù)用戶需要，因地制宜，量身定做，選擇優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)施工；地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)由于比一般普通中央空調(diào)多地埋管工程施工，所以一次性投資僅略高于普通中央空調(diào)，系統(tǒng)投資價(jià)格一般為600-700元/㎡，但地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的一半左右，2年即可收回前期多投資成本。由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的室外換熱系統(tǒng)全部埋的地表以下，因此，機(jī)組幾乎沒有任何維修成本，系統(tǒng)維護(hù)成本低。

 

  地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)一般由土壤熱泵空調(diào)機(jī)組、室內(nèi)末端設(shè)備和地下埋管換熱器系統(tǒng)三部分組成。地源熱泵空調(diào)機(jī)組是一種水冷式的供冷/供熱機(jī)組。機(jī)組由封閉式壓縮機(jī)、同軸套管式水/制冷劑熱交換器、熱力膨脹閥（或毛細(xì)膨脹管）、四通換向閥、空氣側(cè)盤管、風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、安全控制等所組成。機(jī)組本身帶有一套可逆的制冷/制熱裝置，是一種可直接用于供冷/供熱的熱泵空調(diào)機(jī)組。在冬季，地源熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管道（稱為環(huán)路）從大地收集自然界的熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內(nèi)。再由裝在室內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和熱交換器把大地的能量集中，并以較高的溫度釋放到室內(nèi)。在夏季，此運(yùn)行程序則相反，地源熱泵系統(tǒng)將從室內(nèi)抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收，使房屋得到供冷。尤如電冰箱那樣，從冰箱內(nèi)部抽出熱量并將它排出箱外使箱內(nèi)保持低溫。地源熱泵機(jī)組采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件,需要時(shí)各部件的修配和更換很方便。因?yàn)樵O(shè)計(jì)簡單，并不需要高技術(shù)的操作工程人員的服務(wù)。唯一需要經(jīng)常保養(yǎng)的是空氣過濾網(wǎng)和凝結(jié)水盤的清潔。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，靈活、安裝快速。機(jī)組己在工廠組裝好并自帶溫度控制裝置，現(xiàn)場工作只是少量低壓風(fēng)管、電氣連接裝置和不需要保溫的水管的連接。管道可采用鋼管、銅管或塑料管。維修方便快捷，機(jī)組結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，壽命長久。熱泵機(jī)組的功率系數(shù)(COP)可達(dá)到4以上，即1千瓦電輸入，有4千瓦多冷量輸出的高效率。  地下換熱器的設(shè)計(jì)  豎直埋管的構(gòu)造豎直式地?zé)?/a>換熱器的構(gòu)造有多種，主要有豎直U型埋管與豎直套管。豎直U型管埋管的換熱器采用在鉆孔中插入U(xiǎn)型管的辦法，一個(gè)鉆孔可以設(shè)置一組或二組U型管。然后用封井材料把鉆孔填實(shí)，以盡量減小鉆孔中的熱阻，并防止地面污水流入地下含水層，鉆孔深度一般為60～100米。鉆孔之間的配置應(yīng)考慮可利用的土地面積，兩個(gè)鉆孔之間的距離可在4～6米之間，管間距過小會(huì)影響換熱器效能?？紤]到我國人多地少的實(shí)際情況，大多數(shù)時(shí)候，豎直埋管方式是唯一選擇。

 

  采用豎直埋管的換熱器前，每個(gè)鉆孔中可設(shè)置一組或兩組U形管。盡管單U 形埋管的鉆孔內(nèi)熱阻比雙U形埋管大30%以上，但實(shí)測與計(jì)算結(jié)果均表明：雙U形埋管比單U形埋管僅可提高15%～20%的換熱能力，這是因?yàn)殂@孔內(nèi)熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分。鉆孔外的巖土層熱阻，對(duì)雙U形埋管和單U形埋管來說，幾乎是一致的。雙U形埋管管材用量大，安裝較復(fù)雜，運(yùn)行中水泵的功耗也相應(yīng)增加。因此一般地質(zhì)條件下，多采用單U埋管。但對(duì)于較堅(jiān)硬的巖石層，選用雙U形埋管比較合適，此時(shí)每米鉆孔費(fèi)用比每米U形管（包括管件）費(fèi)用高很多，鉆孔外巖石層的導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，埋設(shè)雙U形管，有效的減少了鉆孔的內(nèi)熱阻，使單位長度U形管的換熱能力明顯提高，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)上分析都是合理可行的。另外采用雙U形埋管，也是解決地下埋管空間不足的方法之一。

 

  豎直埋管的連接方式地?zé)?/a>換熱器各鉆孔之間既可采用串聯(lián)方式，也可采用并聯(lián)方式，在串聯(lián)系統(tǒng)中只有一個(gè)流體通道，而在并聯(lián)系統(tǒng)中流體在管路中可有兩個(gè)或更多的流道。

  串聯(lián)系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)是具有單一流體通道和同一型號(hào)的管道，由于串聯(lián)系統(tǒng)管路管徑大，因此對(duì)于單位長度埋管來說串聯(lián)系統(tǒng)的熱交換能力比并聯(lián)系統(tǒng)高。串聯(lián)系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)，首先該系統(tǒng)采用大管徑管道，管內(nèi)體積大，需要較多防凍液，管道成本及其安裝費(fèi)用高于并聯(lián)系統(tǒng)；管道不能太長，否則阻力損失太大以及可靠性降低。

 

  豎直埋管的換熱計(jì)算1.工程設(shè)計(jì)用的半經(jīng)驗(yàn)公式方法由于地埋管換熱器中的傳熱過程是三維非穩(wěn)定的傳熱，影響因素非常復(fù)雜，很難用簡單的公式加以描述和概括，因此在實(shí)際工程中還廣泛采用以半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，主要用來根據(jù)最大冷、熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管長度。此外，即使是這種最簡單的以半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因?yàn)槠渲蟹磸?fù)用到指數(shù)積分函數(shù)，對(duì)于工程實(shí)際遇到的多孔的地埋管換熱器，實(shí)際的計(jì)算工作量也太大，以至于也必須借助于適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行。

 

  2.地?zé)?/a>換熱器及其概算概算指標(biāo)：是指單位負(fù)荷（或空調(diào)面積）所需的地埋管量，或者單位地埋管量的熱交換能力。地?zé)?/a>換熱器方案設(shè)計(jì)概算指標(biāo)  地下深層未受干擾時(shí)的溫度與地理位置和距地面的深度有關(guān)。一般地下15米左右的溫度大致等于當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁?，深度每增?0m，地溫約提高1℃。對(duì)豎直單U形埋管，單位孔深的換熱量可按30～60w/m估算。雙U形埋管在此基礎(chǔ)上增大15%左右。地埋管總量一定時(shí)，埋管所需地表面積主要取決于埋管深度和埋管間距。鉆孔深度一般取60～100m。兩個(gè)鉆孔之間的距離一般在4～6m之間。管間距離過小會(huì)影響換熱器的效能。據(jù)此，U形埋管所需地表面積約為建筑空調(diào)面積的1/3～1/5。