地能熱泵系統作為一種利用可再生能源的供熱制冷系統，以其節能、環保和穩定等優點，在國內正得到快速推廣。但在推廣中，因為對系統認識的差異，對于地能熱泵系統的設計研究，基本處于探索期，由于一些廠家的非優化設計，也導致了地能熱泵系統運行效率的下降。本文針對地能熱泵系統的發展情況，介紹了地能熱泵的設計步驟，并對設計中一些常見的問題進行分析，指出地能熱泵系統設計需要一個整體的優化方案，而不是簡單的將室內、機組和埋管簡單的組合。
1、背景概述
地能熱泵系統，（Geothermal heat pump systems）是利用地下的巖土作為穩定的蓄熱體，利用熱泵原理實現季取熱儲冷，夏季取冷儲熱的閉路循環系統。地能熱泵系統一般由三個部分組成：大地換熱器、熱泵主機和空調末端。其中系統的關鍵是大地換熱器的設計和施工�！ 〉啬軣岜孟到y在北美和歐洲都應用的比較普及，根據國際地熱聯合會（The geothermal heat pump consortium）的統計，到2003年底，采用地能熱泵技術制冷供熱的建筑面積美國為3720萬平方米，瑞典為2000萬平米，德國為560萬平米，加拿大為435萬平米。但北美的應用與歐洲的應用存在明顯的差異。
北美的應用，地能熱泵更多地偏重于解決建筑的空調制冷問題。在美國，政府投入很多的力量來支持地能熱泵系統的推廣，政府和學校經過多年的努力，建立了全國各地地質參數資料庫，并在各州確立了經過認可的地能熱泵推薦的工程商，ASHERE也針對系統特殊要求在機組設計上建立了標準，同時政府支持在大地換熱器設計以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策來鼓勵地能熱泵系統的推廣，若專門的補貼、政府推廣網站等。從系統設計的角度看，雖然北美也有小型的水水熱泵機組，但北美地能熱泵系統更多地采用的是水環熱泵系統，尤其對于一些大型的工商建筑，采用水環熱泵正成為設計的主流趨勢。美國著名的地能熱泵制造商有CLIAMTMASTER 、WATER FURNACE 等 ，他們提供符合ARI的專門用于地能系統的標準系列產品。而對于大地換熱器，北美采用的多是單U型的垂直埋管方式和水平埋管的方式。鉆孔深度為50-160米。
在歐洲，由于環保和節能的要求，目前，在歐洲，地能熱泵系統在供熱方面積累了豐富的經驗，從系統設計的角度看，歐洲多采用水系統，歐洲的水水熱泵機組更多偏重于制熱，但沒有專門的地能熱泵機組標準和專門的地能熱泵設備制造商。對于大地換熱器，歐洲技術更多地采用的是雙U型的垂直埋管方式。
在中國，地能熱泵還是一個剛剛開始的新制冷供熱方式。由于北京等城市對大氣污染的關注，取消煤鍋爐供暖，在1998年-2003年，促使了水源熱泵的快速流行，但水源熱泵的在國外的應用實踐表明，水源熱泵只有在特定的條件下，才能取得較好的效果。更多的情況下，由于考慮到開采地下水可能帶來的地質限制、水位沉降、水質污染、水井老化、回灌困難等問題，采用水源熱泵從建筑的LCA分析上并不是最佳。所以在2000年前后，國內的一些大學和廠家開始在國外技術的基礎上建立了一些研究性的樣板工程，從2004年開始，地能熱泵的項目越來越多。但中國的現狀是多種技術流派各種方案都在嘗試流行，不同廠家推廣的的技術方式差異很大，雖然相對于空氣源和水源熱泵，整體效果不錯，但不同的系統間，差異卻相當的大，在系統的設計中，也暴露了不少的問題。
2、地能熱泵系統設計現狀
地能熱泵系統由于地下土壤換熱的復雜性以及大地換熱器地下埋管的施工成本較高，所以，地能熱泵系統設計要求與常規的風冷熱泵和水源熱泵相比有很多的不同。其中最主要的差異在于地下換熱器參數的選取，和建筑逐時負荷累積確定。而這些對于一般的設計院和工程公司都是沒有經驗可以依據，又沒有理論方法和工具解決的問題。一般來說，對于常規空調系統，根據設計工況，確定建筑的最大負荷，選擇匹配合適的機組即可。而對于地能熱泵，則不僅需要根據工況，確定最大負荷，而且需要逐時負荷和累積總和，并考慮到大地巖土換熱保熱能力才可以確定系統的平衡。所以地能熱泵的系統設計對于不同地區，不同的建筑用途，設計出的方案應當不同。而不是簡單地照搬照抄以往的設計參數。
國內目前對于地能熱泵的宣傳和研究更多地集中在其優點和國外的應用上。其中對于設計方面的研究才剛剛起步，學術界更多地還是集中在不同換熱模型的分析比較上，而對于實際應用中的問題，基本還沒有形成研究成果。許多的工程都是探索性的嘗試，雖然有國外的模型來用作設計指導，但由于應用的不同以及對地能熱泵系統的本質差異認識不足和自身的行業領域資源的限制，沒有形成適合中國應用的設計標準和規范。
由于理論往往不能指導實踐，所以出現先施工再總結的設計，甚至有的公司根據別人經驗估計而施工的情況，對地能熱泵系統的推廣造成了很大的隱患。
從理論上講，地能熱泵系統設計需要經過以下幾個步驟：
一、對建筑類型和基本地理情況的分析
對建筑類型分析包括以下內容：建筑的形態、結構、維護和保溫、層數、層高、用途、客戶現在和未來可能的需求等等，對基本地理情況分析包括以下內容：地理位置、周圍地貌、氣象參數、未來地域發展規劃、地下構造等等。這兩個方面的分析，可以從宏觀上決定是否可以采用地能熱泵系統。只有上述的各條件經過綜合分析，滿足地能熱泵系統要求，應用地能熱泵系統才能取得預期的經濟效果。
二、對建筑的負荷的計算和評估
在確定可以應用地能熱泵系統后，設計的第一步就是對建筑進行逐時負荷計算，需要模擬確定出一年不同時期的需求的冷量和熱量，并區分基礎負荷和尖峰負荷。以及持續的時間和強度。在確定建筑負荷時，必須考慮到未來較長時間的氣候變化情況。通過對建筑負荷的計算和評估，可以確定大地換熱器的吸熱和放熱的絕對量值，和尖峰沖擊的承載能力和方式。
三、對地下巖土的分析
對地下可能存在的地質層次和深度進行估計，可根據地質勘探報告以及其他來源的地質資料信息估計地下巖土的種類和特性，從而初步確定地下巖土層次構成和物理參數，以及巖土溫度和濕度，地質熱力參數以及不確定因素的可能影響和評估。地下巖土分析是大地換熱器設計的重要基礎和決定系統方案和成本的關鍵。
四、初步方案的設計
首先選擇合理的模型，根據經驗進行初步的設計，然后利用專業的計算軟件，進行系統的優化和校驗，最終，選擇一到三個可以應用的備選方案。并以此來做初步的系統設計。
在初步方案階段，基本確定了換熱器的型式、管材、布局、流速分布、回添方式等。
五、鉆孔實驗
在沒有充足地質資料或大型項目的設計時，完成初步方案設計后，必須進行鉆孔實驗以驗證設計輸入參數的正確與否。對于鉆孔實驗，應當獲得地質結構物理構成和熱力參數。必要時，還可以進熱力變動影響實驗。以確定大地承載能力。
六、正式方案設計
在以上五步的基礎上，復核所有的輸入參數，并與甲方溝通確認，才開始正式的方案確定，并設計整個系統。確定大地換熱器和地能熱泵系統，并確定關鍵的工藝參數。
空調所徐偉曾編譯過美國供暖制冷空調工程師學會編著的《地源熱泵工程技術指南》，瑞典Eskilson教授開發的Earth Energy Designer 軟件，都可以作為設計的參考和工具。
3、地能熱泵系統設計的一些關鍵問題
對于地能熱泵系統設計，根據對前期地埋管系統的應用實例調研，發現不同系統運行效果差異很大，為總結比較不同系統的優缺點，更好地優化系統，發揮地能熱泵節能高效的特點，對其中一些關鍵的設計問題，特分別闡述如下：
3．1 換熱器型式的選擇。
從理論上講，大地換熱器，可以采用水平埋管、垂直埋管和在江河湖海中浸泡的形式，而對于每種形式，又有不同的具體形式，比如垂直埋管就有單U、雙U、三U，套管等多種形式。每種形式都有其特點和優點。
但從工程應用的角度看，在我國北方地區的應用中，采用單U和雙U證明是比較適合的形式。而其中主流是選用PE80或PE100級的HDPE管材，一般選用管材直徑為DN32，這主要是由于一方面該管徑系列相配套的專用管件比較豐富，另一方面，該管可滿足設計的換熱量要求和強度要求。DN25的管材在應用中曾發現強度不足的現象。
而對于設計的鉆孔深度，實際的應用中，從50米到160米都有，但需要指出，并不是鉆孔深度越深越好。而確定合理優化的深度，除了地層的考慮外還特別需要考慮到管間的相互影響和每個單路的溫差設計。一般對于雙U系統，采用5度溫差，理想的深度為100米左右。
至于不同孔之間的間距，需根據熱影響確定，一般不應小于4米。
3．2 換熱器水平管路的聯接方式。
換熱器水平管路的聯結方式，往往是設計忽略的一個方面，但事實上，由于水平聯結設計不合理，導致管內流速分布不均，已經造成一些系統運行的失效。特別對于大型系統，水平聯結就更為關鍵。
北京地區的一些項目，初始設計采用異程設計，導致不同回路，水流嚴重不均勻，最后必須依靠流量調節閥來平衡各路的水流量。但對于單個豎埋回路，則基本無法調整。根據計算模擬，水流速變動最多可使換熱器能力衰減20-25%。
水平聯結的基本方式有同程式、異程式和類集分水器型。
其優點是節約管材，降低施工成本，但由于其無法避免不同回路水流不均勻的問題，所以對于大型的系統設計，甚至可能導致某些回路換熱能力損失20-25%，所以對于超過10孔的聯結，不推薦使用同程聯結。
其通過保證各回路的流程相同，解決了各回路的水流平衡，但對于地埋系統，其增加了每個回路的流程，也導致整體的壓降增加。目前，是主流的地埋系統水平聯結方式。
其基本原理是將水平管改為集分水器的形式。這種模式一方面可以保證系統分配均勻，降低回路系統的壓力降，并且可以降低回路設計水溫差。
根據北京中創動力的設計經驗，采用類集分水器型式的水平連接，可以很好地實現系統的水力平衡并降低水泵功耗。如北京某項目采用第一種方式聯結，70個孔的系統，水泵設計功耗為55KW，實際運行出現水流不均， 達不到設計能力,增加流量平衡閥后，系統改善,但水流進出的壓力差高達0.3MPa。而天津類似項目采用第三種方式聯結，100個孔的系統，水泵設計功耗為30KW，系統運行良好，實際運行進出水壓力差為0.1MPa。
3．3 換熱器設計采用大流量小溫差
對于大地換熱器設計，在基本管材參數和分布形式確定后，最為關鍵的就是流速流量的設計。大地換熱器設計應采用大流量小溫差的設計理念，根據傳熱學的基本要求，最小流速需要保證雷諾數大于2300。而設計的溫差，最好保證在3-5度。地埋系統不同于打井的系統，由于不取地下水，所以不應采用小流量大溫差的水源熱泵系統設計。
采用大流量小溫差的方式，具有以下的優點：一是可以提高提高機組的效率，無論制冷或制熱，采用大流量小溫差，都可以改善機組的工作工況，在夏季，可以降低冷凝溫度，而 冬季，可以提高蒸發溫度。二是可以提高換熱效率，采用大流量設計，可以提高單個換熱回路的整體換熱能力。三是可以選擇更深的孔深，由于溫差小，則減少管間影響，可以應用更深的孔。四、可以更好地發揮各單回路的換熱能力。由于水量大，保證各回路水溫的均勻，不會因為混水而降低各回路能力。
但應用大流量系統設計，為防止泵耗增加，必須配合好的水平聯結。
3．4 機組選擇
根據上面的介紹，對于地能熱泵主機，必須配合整個系統的要求。建議采用專門設計的地能熱泵機組。對于水環熱泵方式的機組，必須能在低水溫工作，可以按照美國ARI標準來選擇�；騾⒄諊獾漠a品樣本進行選型。
而對于水水系統，則應選擇小溫差的定制機組。目前，市場上的水源熱泵根據國標，均采用大溫差小流量設計，不能簡單地拿來做地能熱泵主機。
國內地能熱泵系統剛剛起步，但主要由工程公司來推動，中創動力致力于提供整體的系統解決方案�？梢蕴峁┰O計方案和配套的專用機組。
4、結論
地能熱泵系統由于其節能環保穩定的特點，在全球得到快速的發展。中國的地能熱泵系統應用正剛剛起步，但在設計方面，還沒有形成統一的標準。
地能熱泵系統設計應該在對建筑類型和地理地質了解的基礎上，借助軟件進行初步模擬設計，并在對輸入參數驗證的基礎上，完成正式方案設計。
地能熱泵系統最重要的是需要一個整體優化方案，而不是簡單的將室內、機組和埋管簡單的組合。地能熱泵設計應當采用大流量小溫差的設計思路。相對應的應采用類集分水器型式的水平管聯結設計和專用地能熱泵機組。