地源熱泵是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保技術(shù)，為了保障資源的再生利用，采用地源熱泵能夠有效的利用地?zé)豳Y源，減少不可再生資源的應(yīng)用。但是在地源熱泵的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)熱泵的參數(shù)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)空調(diào)形式，地源熱泵中增加了地?zé)釗Q熱器，因此在設(shè)計(jì)過程中，需要就地源熱泵的長度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而保障地源熱泵的傳熱，增加熱量傳導(dǎo)與利用效率。 

　　關(guān)鍵詞：地源熱泵；傳熱研究；設(shè)計(jì) 

　　中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 

　　1、前言 

　　地源熱是一種節(jié)能環(huán)保的能源，我國2005年推出的《可再生能源法》以及《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于我國地源熱的應(yīng)用提出了指導(dǎo)性的規(guī)范。隨著能源危機(jī)的影響以及不可再生能源的逐漸消耗，地源熱逐漸會(huì)成為能源的關(guān)鍵方式，在未來的能源利用中占據(jù)越來越重要的作用。地源熱泵技術(shù)也能夠成為地源熱利用的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于地源熱的應(yīng)用具有重要的意義。地源熱泵埋管是地源熱泵系統(tǒng)的一種形式，這種系統(tǒng)主要用于散熱，而且在設(shè)計(jì)應(yīng)用的過程中，不需要考慮沉降以及地下水位的問題，而且應(yīng)用過程中，不會(huì)存在排煙污染以及排水污染等污染問題，因此在應(yīng)用中具備獨(dú)特的價(jià)值，而且應(yīng)用最為廣泛。但是不同于空調(diào)中的換熱管設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)榱慵约熬S護(hù)并不方便，所以需要進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，從而保障地源熱泵的使用壽命盡量長，而且埋管的長度等參數(shù)會(huì)直接影響地源熱泵的使用效率，所以在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該對(duì)相關(guān)的長度設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而有效的進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于地源熱的使用具有研究價(jià)值。 

　　2、地埋管長度設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 

　　2.1 地埋管長度設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 

　　目前在進(jìn)行地源熱泵的埋管長度設(shè)計(jì)計(jì)算中，大多數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中，采用估算的方式，以地下熱負(fù)荷等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而進(jìn)行管長的設(shè)計(jì)與計(jì)算。但是這種方式相對(duì)保守，在應(yīng)用過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員的保守設(shè)計(jì)，會(huì)造成設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，增加投資的費(fèi)用。而且目前計(jì)算中，可以采用專用的GCHPCALC等軟件，但是這些軟件相對(duì)復(fù)雜，不宜推廣。 

　　2.2 埋管長度設(shè)計(jì)原則 

　　在相應(yīng)的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中，已經(jīng)有相關(guān)的計(jì)算埋管長度的方式，其中設(shè)計(jì)的過程中，引入平衡溫度與典型氣象的概念，對(duì)于地源熱泵中的關(guān)鍵參數(shù)繼續(xù)擰測試與選擇，從而擬定了一種設(shè)計(jì)埋管的科學(xué)方法。 

　　2.3 地埋管設(shè)計(jì)特點(diǎn) 

　　地埋管主要有水平管與豎直埋管的方式，而在相關(guān)的設(shè)計(jì)過程中，除了需要滿足埋管的區(qū)域要求之外，還需要對(duì)于埋管周邊的環(huán)境進(jìn)行認(rèn)識(shí)，對(duì)于埋管周邊的巖土特性進(jìn)行分析，從而選擇合適可行的施工方式。因此在施工完成后，需要采用科學(xué)的方式對(duì)管長進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的過程中，需要根據(jù)周邊的巖土性質(zhì)、周邊的地?zé)岘h(huán)境以及地源熱泵的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)槭艿街T多因素的限制，因此在設(shè)計(jì)的過程中通常采用地源熱泵與輔助冷熱源相結(jié)合的混合式進(jìn)行地源熱泵設(shè)計(jì)。 

　　3、地源熱泵地埋管長設(shè)計(jì) 

　　3.1 參數(shù)的來源與分析 

　　在地源熱泵埋管長度的計(jì)算中，需要多種參數(shù)的計(jì)算，而且計(jì)算的過程中，需要對(duì)于相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行確定，從而保證計(jì)算結(jié)果科學(xué)合理。在參數(shù)的來源中，主要需要如下的參數(shù)。 

　?。?）熱泵機(jī)組的性能 

　　地源熱泵機(jī)組的性能是影響長度的重要因素，而且相關(guān)的想能參數(shù)會(huì)隨著實(shí)際工作概況變化而變化，因此在計(jì)算的過程中，需要采用廠商所指定的制熱量與制冷量的參數(shù)，從而保證參數(shù)的可靠應(yīng)用。對(duì)于已經(jīng)使用了多年的地源熱泵的計(jì)算，可以采用擬合公式計(jì)算相關(guān)的參數(shù)。 

　?。?）典型氣象年數(shù)據(jù) 

　　典型氣象年是最近三十年的月平均氣候，通過選擇大量的數(shù)據(jù)，從而制作平均數(shù)據(jù)表，得到相關(guān)的曲線并進(jìn)行平滑處理，最終得到相關(guān)的平均氣候參數(shù)。典型氣候年的數(shù)據(jù)包括最熱月、最冷月以及平均氣溫等參數(shù)。 

　　3.2 傳熱模型的選擇 

　　根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中的額模型選用的是一維線的熱源模型，該模型是1948年提出來的，最初應(yīng)用于該模型計(jì)算地下埋管中換熱器的尺寸計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法需要對(duì)于傳熱熱阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且在計(jì)算的過程中，需要對(duì)于換熱器的材質(zhì)熱阻與周邊環(huán)境的熱阻進(jìn)行計(jì)算，從而有效的計(jì)算導(dǎo)熱材料的熱阻。在計(jì)算的過程中，根據(jù)技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)的對(duì)流熱阻、關(guān)閉導(dǎo)熱熱阻與鉆孔壁熱阻都有詳盡的計(jì)算公式。其中計(jì)算分別如下所示： 　 

　　在相應(yīng)的計(jì)算中di為地源熱泵埋管的內(nèi)徑，m；λ為U型管導(dǎo)熱系數(shù)，h為對(duì)流換熱系數(shù)，W(m2，K) W(m K)；do為U型管外徑，m；對(duì)單U型管=2，對(duì)雙U型管=4；dp為U型管當(dāng)量直徑，m為灌漿材料導(dǎo)熱系數(shù)，W(mK)；de為鉆孔直徑，m。 

　　3.3 地埋管長度計(jì)算方法 

　　根據(jù)以上的參數(shù)以及《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）的設(shè)計(jì)要求，需要根據(jù)以下原則進(jìn)行計(jì)算： 

　　（1）設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)運(yùn)行的參數(shù)調(diào)節(jié)相關(guān)的額參數(shù)設(shè)計(jì)，從而確定熱泵的冷熱負(fù)荷。在設(shè)計(jì)的過程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

　?。?）設(shè)計(jì)的過程中，典型氣象年參數(shù)包括確定最熱月，最冷月與地表面年平均溫度，根據(jù)該參數(shù)確定最高與最低今夜溫度，從而選擇合適的地泵的型號(hào)與長度設(shè)計(jì)。 

　?。?）根據(jù)水源熱泵機(jī)組的水流量確定地埋管并聯(lián)數(shù)，并且需要對(duì)于土壤參數(shù)、鉆孔參數(shù)等多種參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。 

　?。?）由設(shè)計(jì)冷負(fù)荷和水源熱泵機(jī)組在t下的制冷EER確定地埋管換熱器的放熱量；由設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和水源熱泵機(jī)組在下的制熱COP確定地埋管換熱器的吸熱量。 

　　（5）根據(jù)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷和最熱月室外逐時(shí)溫度計(jì)算出建筑物的逐時(shí)冷負(fù)荷；根據(jù)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和最冷月室外逐時(shí)溫度計(jì)算出建筑物的逐時(shí)熱負(fù)荷。 

　?。?）根據(jù)地埋管單管流量、鉆孔參數(shù)、地埋管內(nèi)徑以及流體特性參數(shù)計(jì)算管內(nèi)流體流速1，、Re和等。 

　　3.4 模型選擇與長度計(jì)算 

　　而對(duì)于地源熱泵實(shí)際工作過程而言，需要對(duì)相關(guān)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?shí)際工作過程會(huì)因?yàn)榻ㄖ锓弦约跋嚓P(guān)的運(yùn)行時(shí)間的變化，而導(dǎo)致熱泵運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化。所以在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該將相應(yīng)的影響考慮到計(jì)算中，將線熱源理論加入到計(jì)算公式中，從而得到的附加熱阻為： 

　　（5） 

　　式中的τp為運(yùn)行過程的買重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，單位為s。 

　　在設(shè)計(jì)的過程中，需要將相關(guān)的電阻與乳量負(fù)荷引入公式中，從而根據(jù)熱阻的分析，計(jì)算埋管的長度計(jì)算公式，在計(jì)算的過程中，需要分制冷工況與供熱工況兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算，其中的公式分別為： 

　　供熱工況： 

　?。?） 

　　制冷工況： 

　?。?） 

　　而相應(yīng)的Q為泵的冷/熱負(fù)荷，t為工況下的戒指平均溫度，COP與EER分別為供熱與制冷系數(shù)，F(xiàn)為供熱/制冷運(yùn)行份額。 

　　3.5 程序選擇 

　　在計(jì)算的過程中，能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，在相應(yīng)的計(jì)算過程中，按照上述的計(jì)算公式與計(jì)算原則，搜集大量參數(shù)，采用Matlab能夠?qū)荛L進(jìn)行合理計(jì)算，計(jì)算的過程中，需要選擇合適的參數(shù)與計(jì)算方式，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 

　　4、結(jié)語 

　　在關(guān)于地源熱泵的計(jì)算中，關(guān)于埋管長度的計(jì)算是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此在計(jì)算的過程中，應(yīng)該根據(jù)周邊環(huán)境情況，選擇合適的參數(shù)，并且就選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算公式，保證埋管長度的合理可靠，方式因?yàn)椴缓侠碓O(shè)計(jì)造成的浪費(fèi)，甚至帶來實(shí)際工程困難。采用一維模型設(shè)計(jì)與《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，能夠最大限度的保障設(shè)計(jì)的合理可靠。