土壤源熱泵特性

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對于綠色建筑應體現在以下幾個方面：

1、建筑與自然的共生：即要求保持環境、利用環境、防御自然災難。保護生態系統并減少CO，及其他大氣污染物的排放，保持建筑周邊環境生態系統的平衡；充分利用太陽能、地熱能進行供暖、供熱、采光以及通風，充分考慮綠化配置，軟化人工建筑環境；考慮建筑物的朝向等。

2、應用減輕環境負荷的建筑節能技術：即降低能耗、延長使用壽命、使用環保的材料，注重能源的再利用、使用耐久性強的建筑材料及可循環再生材料的利用。

3、循環再生型的建筑生涯。循環利用始終貫穿到整個建筑生涯。

4、創造健康、舒適的室內環境。包括健康持久的生活環境，優良的空氣質量等。

5、使建筑融人歷史與地域的人文環境。即繼續地方傳統的施工工藝，繼續和保護城市與地域的景觀特色，保持城市的恒久魅力和活力。

土壤源熱泵系統是一種利用地下淺層的熱資源，通過輸入少量的高位能，將低溫位能向高溫位能轉移，以實現既可供熱又可制冷的高效節能的綠色空調系統。

在建筑綠色建筑的過程中，土壤源熱泵是一種可以廣泛應用的系統形式。

2土壤源熱泵的優缺點及分類

2.1土壤源熱泵的優點

土壤源熱泵利用土壤一年四季溫度穩定的特點，冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環境溫度的地能中的熱能取出來供給室內采暖，夏季把土壤能作為空調的冷源，即把室內的熱能取出來釋放到底于環境溫度的土壤中。通常土壤源熱泵消耗1KW的熱量，用戶可以得到4KW左右的熱量或冷量，從而達到節能的目的，而且在系統運行過程中，不產生任何有害物質，實現了環保的功效。土壤源熱泵的工作原理如圖1所示：

該系統有如下特點：

1、資源可再生利用，土壤源熱泵技術利用地球表面淺層地熱資源作為冷熱源進行能量轉換，而地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，相當于人類每年利用能量的500多倍，且不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這是儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，也是清潔能源。與地面上環境空氣相比，地面5m以下土壤溫度全年基本穩定且略低于年平均氣溫，可以分別在夏冬季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度。所以從熱力學原理上講，土壤是一種比環境空氣更好的熱泵系統的冷熱源。而且土壤源熱泵系統不會把熱量、水蒸氣及細菌等排人大氣環境，符合當前可持續發展的戰略要求。通常土壤源熱泵消耗lKW的能量，用戶可以得到4KW以上的熱量或冷量，這多出來的能量就是來自土壤的能源。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的土壤源熱泵，平均來說可以節約用戶30％～40％的供熱制冷空調的運行費用。高效的土壤源熱泵機組，平均產生1冷噸的冷量僅需0.88kW的電力消耗，其耗電量僅為普通冷水機組加鍋爐系統的3O％～60％；

2、投資少，運行費用低，與傳統空調系統相比，其一次性投資可節省15%~25%，每年運行費用可節約40%左右。采用土壤源熱泵系統，由于土壤的溫度理，土壤源熱泵可以比風冷熱泵具有更高的效率和更好的可靠性，其熱源溫度全年較為穩定，一般為l0-25℃。而且土壤源熱泵系統可用于供暖、空調，還可提供生活熱水，一套系統可以替換原來的鍋爐、空調制冷裝置或系統，一機多用；不僅適用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的供熱和空調。此外，機組使用壽命長，均在20年左右；機組緊湊、節省空間：維護費用低；自動化控制程度高，可無人值守。土壤源熱泵中的熱源不是指地熱田中的熱氣或熱水，而是指一般的常溫土壤，所以對地下熱源沒有非凡要求，可在中國絕大部分地區應用。

土壤源熱泵系統的COP值一般在3~6左右，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40％左右，其運行費用為普通中心空50％~60％。

3、占地面積少，機房占地面積小，節省空間，可設在地下；

4、綠色環保，土壤源熱泵系統利用地球表面淺層地熱資源，沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，情節環保，無任何污染，土壤源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上，假如結合其它節能措施節能會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25％的充灌量；土壤源熱泵系統屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，安裝在綠地、停車場下，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。土壤源熱泵系統沒有冷卻塔和其它室外設備，沒有中心空調集中占地問題，節省了空間和地皮，為開發商帶來額外利潤，產生附加經濟效益，并改善了建筑物的外部形象；

5、自動化程度高，機組內部及機組與系統均可實現自動化控制，可根據室外溫度變化及室內溫度要求控制機組啟停，達到最佳節能效果，同時節省了人力物力；

可自主調節機組，能夠任意調機，投資者可按需要調整供給時間及溫度，完全自主；

一機多用，即可供暖，又可制冷，在制冷時產生的余熱還可提供生活生產熱水或為游泳池加熱，最大限度的利用了能源。

2.2土壤源熱泵的缺點

1、埋地換熱器受土壤性能影響較大，土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對傳熱有較大影響；

2、連續運行時熱泵的冷凝溫度和蒸發溫度受土壤溫度的變化發生波動；

3、土壤導熱系數較小，換熱量較小。已有的經驗表明，其持續吸熱速率一般為25W/m2，所以當供熱量一定時，換熱盤管占地面積較大，埋管的敷設無論是水平開挖布置還是鉆孔垂直安裝，都會增加土建費用。

2.3土壤源熱泵的分類

2.3.1按地下埋管系統分類

地下埋管熱泵系統按埋管形式可分為水平埋管熱泵和垂直埋管熱泵。水平埋管是目前工程實例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認為其性能優于水平埋管系統，但施工難度相對高一些。

1、水平埋管熱泵系統

關于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年。現在歐洲普遍使用的此類系統多只用于采暖。水平盤管系統有單層和雙層兩種形式，可采用U形，蛇形，單槽單管單槽多管等形式。單層是最早也是最常用的一種形式，一般的設計管埋深度為0.5m到2.5m之間。由于土壤飽和度不同，壕溝深度也不同。若整個冬季土壤均處于飽和狀態，壕溝的深度就一定要大于l.5m同時用于采暖．管埋深度超過1.5m蓄熱就慢，而小于0.8m，盤管就會受地面冷卻和結凍的影響，另外管間距小于1.5m，盤管間可能會產生固體冰晶并使春季蓄熱減少。雙層盤管系統一層約在1.2m深，另一層約在1.9m深，即先在l.9m深敷設一層管道再回填至1.2m深鋪設另一層雙層鋪設大幅度降低了挖掘深度和填土需砂石量。

2、垂直埋管熱泉系統

垂直埋管熱泉系統有淺埋和深埋兩種。淺埋深度為8m到10m．安裝成環形、六邊形或直角形，并采用同軸柔性套管。這種設計是由Ambrose在1946年提出的，增大外殼直徑是為了提高熱交換性能。深埋的鉆孔深度由現場鉆孔條件及經濟條件決定，一般為33m到180m不等。溶液在垂直的U形彎管中循環。為了減少泵容量，有必要采用平行埋設，在垂直埋管系統中。管道深入地下，土壤熱特性不會受地表溫度影響。因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設備一般采用太陽能和風能集熱，此類設備具有高蓄熱能力、溫升能力。

垂直埋管熱泵系統較水平系統有許多優點。首先它不需像水平埋管系統那樣需要大的場地面積。其次在許多地區，地面以下的一段距離，土壤處于濕度飽和狀態，而這段距離又正是熱交換器所在的位置，因此對熱交換有利。在制冷季節，水平系統流入盤管中的溶液加熱了飽和的土壤層使水分降低，從而降低了土壤導熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩定工況和部分負荷的運行效率比滿負荷情況好，而一般的空調系統設計工況是在滿負荷情況下，但實際卻很少在此情況下運行，效率也就很難保證是在高效區。

2.3.2按中有無中間流體分類

按有無中間流體分類，土壤源熱泵分為一次流體地偶熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少的系統是直接膨脹式地偶熱泵系統，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內與環境進行熱交換。

2.3.3按與土壤環繞管道材料分類

現在用于土壤系統的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管14-16．