土壤源热泵土壤源热泵系统是以大地作为热源，热泵的换热器埋于土壤中与大地进行冷 热交换的地源热泵系统。土壤源热泵系统采用闭式环路，将大地作为蓄能体，具 有环保和节能的双重效益。国际上将地下蓄能技术和高效热泵同时引入 21 世纪 最有发展前途的50项新技术之中。世界能源理事会（WEC）、国际能源署（IEA）、 国际制冷学会（IIR）、美国布鲁克海文国家实验室（BNL）等国际著名组织及 所从事热泵的研究者普遍认为：在目前和将来土壤耦合热泵是最有前途的节能装 置和系统之一，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一，也是浅层地能利用的重 要形式。1998年美国暖通空调工程师学会（ASHRAE）的技术奖也授予了土壤 耦合热泵系统。土壤源热泵系统的优点：1. 土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒 温热源热泵的特性，这种温度特性使土壤耦合热泵系统比传统的空调运行效率要高40%60%，节 能效果明显；2. 土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出（或放入）的能量可以 分别在夏、冬季得到自然补偿；3. 当室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由 于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此，和空气源热泵相比，它 可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提 高夏季的供冷量和冬季的供热量；4. 地下埋管换热器无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失，节省了空气源热 泵结霜、融霜所消耗的 3%30%的能耗；5. 地下埋管换热器在地下吸热与放热，减少了空调系统对地面空气的热、噪 声污染。同时，与空气源热泵相比，相对减少了 40%以上的污染物排放量。与 电供暖相比，相对减少了 70%以上的污染物排放量；6. 运行费用低。设计安装良好的地源热泵系统平均来说，可以节约用户 30%40%的供热制冷空调的运行维护费用。土壤源热泵系统的缺点：1. 地下埋管换热器的供热性能受土壤性质影响较大，长期连续运行时，热 泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；2. 土壤的热传导率小而使埋管换热器的持续吸热率仅为2040W/M, 般 吸热率为25 W/M左右。因此，当换热量较大时，埋管换热器的占地面积较大；3. 地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。传递相同 的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中的 1/3，在胶状土中仅为它的 1/10；4. 初投资较高。仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的 20%30%左右。 土壤热物性土壤的热物性对地源热泵系统的性能影响较大。热物性是土壤源热泵系统设计和 研究过程诸多环节中最基本、最重要的参数，他直接和土壤源热泵系统的埋地换 热器的面积和运行参数有关，是计算有关地表层中的能量平衡、土壤中的蓄能量 和温度分布特征等所必需的基本参数。据有关研究表明，干燥土壤的地源热泵的性能系数要比潮湿土壤的性能系数 低 35 ，当土壤含水量低于 15 时，随着含水量的降低，热泵的循环性能系数 将迅速下降。土壤含水量在 25以上，土壤源热泵的性能系数提高的趋势减缓 土壤含水量从 50增加到 100，土壤源热泵的性能系数仅增加 1.5%左右。土壤属多孔介质，描述其热物性的基本参数主要包括：1土壤的密度p （kg/m3） 密度分为干密度和湿密度；2.含水率w （%） 土壤中水的含量百分数；3饱和度Sr土壤中水的饱和程度，背水充满空隙的土被称为饱和土；4. 比热容cp土壤的比热容主要和土壤的水分含量和土壤的矿物组成有 关系。土壤水分越大，则比热容也越大，温度变化越缓慢；反之，土壤水分越小， 则比热容也越小，温度变化就越快。砂性土壤的比热容比粘性土壤小，因此，砂 性土壤的温升较快，粘性土壤温升较慢。5. 热导率HW/（mC）土壤的热导率是土壤最为重要的热物性参数之 一。热导率和土壤的密度、含水率、孔隙度和饱和度有关。对土壤热导率起决定 作用的是土壤的密度和含水率。几种典型土壤和岩石的热物性系数表：岩土层类型热物性热导率ks /W/(m K)热扩散率a /x106 (m2/s)密度p(kg/m3)土壤致密粘土（含水量15%）1.41.90490711925致密粘土（含水量5%）1.01.40540711925轻质粘土（含水量15%）0.71.00.540.641285轻质粘土（含水量5%）0.50.90.651285致密砂土（含水量15%）2.83.80971271925致密砂土（含水量5%）2.12.31101621925轻质砂土（含水量15%）10210541081285轻质砂土（含水量5%）09190641391285岩石花岗岩23370971512650石灰石243809715124002800砂岩213507512725702730湿页岩1424075097干页岩1021064086地埋管换热器 土壤源热泵的地埋管类型： 土壤源热泵按地下埋管形式不同可分为水平埋 管形式、垂直埋管形式两种类型：（1）水平埋管形式：在建筑周围采用水平方式埋设 地埋管换热器，这种方式普遍使用于采暖。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。水平埋管适用于制冷/采暖 量较少，而建筑周围又有较大富裕空地的场合。（2）垂直埋管热泵系统有浅埋和深埋两种。在垂直 埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受地表 温度影响，因此能确保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。垂直埋管系统具有单位土地面 积换热量大垂直埋管土壤耦合热泵系统较水平系统有许多优点： 占地面积小； 土壤的温度和热特性变化小 需要的管材少； 泵耗能低； 能效比高；地埋管的材质： 土壤源热泵地埋管换热 器采用化学稳定性好、耐腐 蚀、热导率大、流动阻力小 的塑料管材及管件。目前， 被应用于土壤源热泵地埋管 的管材主要有聚乙稀（PE80 或PE100）管和聚丁烯（PB） 管，且管材和管件应为相同 材料。聚氯乙稀（PVC）管由于热膨胀和土壤移位压力的能力较弱，不宜在地埋 管换热器中采用。一般情况下，地埋管换热器一经埋入土壤中，就无法维护，因 此在工程选材上，应采用符合国家标准，质量可靠的产品。管材的公称压力应符 合 1.0Mpa 以上的国标规定。聚乙烯（PE）管外径公称壁厚（mm）公称外径dn平均外径公称壁厚/材料等级最小最大公称压力l.OMPa1.25MPa1.6MPa2020.020.32525.025.32.3+0.5/PE803232.032.33.0+0.5/PE803.0+0.5/PE1004040.040.43.7+0.6/PE803.7+0.6/PE1005050.050.54.6+07/PE804.6+07/PE1006363.063.64.7+08/PE802.3+0.5/PE1002.3+0.5/PE1007575.075.74.5+0.7/PE1005.6+0.9/PE1006.8+1.1/PE1009090.090.95.4+0.9/PE1006.7+1.1/PE1008.2+1.3/PE100110110.0111.06.6+1.1/PE1008.1+1.3/PE10010.0+15/PE100125125.0126.27.4+1.2/PE1009.2+1.4/PE10011.4+1.8/PE100140140.0141.38.3+1.3/PE10010.3+1.6/PE10012.7+2.0/PE100160160.0161.59.5+1.5/PE10011.8+1.8/PE10014.6+2.2/PE100180180.0180.710.7+1.7/PE10013.3+2.0/PE10016.4+3.2/PE100200200.0201.811.9+1.8/PE10014.7+2.3/PE10018.2+3.6/PE100225225.0227.113.4+2.1/PE10016.6+3.3/PE10020.5+4.0/PE100250250.0252.314.8+2.3/PE10018.4+3.6/PE10022.7+4.5/PE100280280.0282.616.6+3.3/PE10020.6+4.1/PE10025.4+5.0/PE100315315.0317.918.7+0.5/PE10023.2+4.6/PE10028.6+5.7/PE100355355.0358.221.1+4.2/PE10026.1+5.2/PE10032.2+6.4/PE100400400.0403.623.7+4.7/PE10029.4+5.8/PE10036.3+7.2/PE100地埋管换热器的连接： 为可靠起见，所有地下 埋管的连接接头都必须采用 热熔或者电熔的连接方法，而 不得使用机械连接方法。热熔 连接接头的连接强度比管道 自身的强度都要大些。接头或 连接件都是同种塑料材质，不 存在腐蚀问题。热熔连接首先把管道修剪、清洗整洁、对齐，然后被加热到其熔点并被连接 在一起，最后冷却形成一体。在地源热泵工程中，热熔接技术有热熔对接和热熔 承插连接两种。地埋管换热器传热介质：地埋管换热器传热介质的选择应符合以下要求： 安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应； 较低的冰点； 良好的传热特性，较低的摩擦阻力； 易于购买、运输和储藏。工程应用中一般以水为传热介质的首选，其它传热介质还有氯化钠溶液、氯 化钙溶液、乙二醇溶液、丙醇溶液、甲醇溶液、乙醇溶液等。在寒冷地区宜考虑 这些溶液代替水，以提高防冻性能。地埋管换热器的阻力计算：热传输介质在封闭的地埋管内流动需要克服一定的阻力，在工程设计中这部 分阻力的计算直接影响到水泵的选型，因此，地埋管内的阻力计算也是系统设计 中至关重要的环节。不同的热传输介质，在管道内流通的阻力是不同的，一般设 计中，以水为热传输介质来计算阻力。在一个土壤源热泵的系统中，地埋管的总 阻力Pz等于管道所有管道沿程阻力LPy和所有管件局部阻力LPj之和。Pz = LPy+LPj管件当量长度表6DN1604.93.12.47.69.23.14.34.98DN2006.14.03.110.112.24.05.56.1