摘要 地源热泵是一种新型的技术，具有节能环保等优点。本文结合舟山地区的实际情况，对地源热泵的地下埋管进行综合分析，内容包括地下埋管的形式、工质和回填材料等，希望能通过本文的分析对舟山市地源热泵的发展起到一定的推动作用。
关键词 地源热泵；地下埋管；回填材料
中图分类号TU831.3 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0080-02
Abstract Ground source heat pump is a new technology with the advantages of energy saving and environmental protection. Combining the practical condition of ，Zhoushan ，comprehensive analysis is made on buried pipe systems for ground source heat pump in this paper， including form， working medium and backfill material， etc， playing a significant role in the promotion of the development prospects of ground source heat pump in Zhoushan.
当今世界，常规能源日见短缺，环境污染日趋严重，为了避免对常规能源资源的过度索取和保护人类赖以生存的自然环境，大力开发利用可再生能源、节约能源已成为科技发展的潮流。地热属于洁净的可再生能源工业自动化网，它一般具有稳定的能流参数、可全天候开采、使用方便、安全可靠、利用范围广、成本低廉等特点。
地源热泵技术是伴随着全球能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起来的，它以大地为热源，可以充分发挥地下土壤蓄能系统的作用，来维持室内的热环境。地源热泵是一种既可以节约能源又可以保护环境的绿色空调技术，符合现在低能耗、低碳[1]社会的发展要求。由于在制冷和制热时，土壤源的温度特性要比空气源的温度特性更为优越，地源热泵要比空气源热泵节能性更好，所以地源热泵正在逐渐的被应用到当前的建筑中。
地源热泵还是高科技通向节能环保的桥梁，在改变能源结构、有效利用自然能源、环境保护等方面都有重要的意义，将会普遍受到人们的喜爱。地源热泵系统主要包括两大部分，一是地下埋管的布置。二是地源热泵的核心制冷制热系统[2]。由于地源热泵的核心制冷制热系统现在已经发展的比较成熟，改造起来过程比较复杂，所以由此提高地源热泵效率的效果并不明显，相比之下，地下管网的布置则就有很大的可以改进的空间。
所以本文将通过从地源热泵地下埋管的合理化设计，以及不同工作液的性质，和回填材料对地源热泵效率的影响等方面进行深入分析，得出最佳的选择，来达到优化节能的目的。
1 地下埋管的合理化设计
地下管网的占地面积较大，布置的形式也不一样，还要受到当地的地质状况的影响，所以不同的布置形式和不同的结构都会较大程度的影响到地源热泵的效率。
为了适应不同的需求，现在在市场上流行的地源热泵的形式也不拘束于一种。根据换热器的布置形式的不同大致可以分为水平埋管与竖直埋管[3]两大类，竖直埋管就是在竖直钻孔中设置地下埋管换热器，U型埋管是其中使用最广泛的一种。但是无论采用什么形式的布置，传统的埋管都是光管。根据我们所学的知识我们了解到在同等情况下肋管的传热效率要比光管的传热效率高。
1.1 舟山市具有较为丰富的地热能
由于地温是计算地源热泵地下埋管换热动态过程的原始条件，也是地源热泵系统设计设计计算的依据，因此在验证之前我们要对原始的地温进行确定，可用包括零级谐量[4]与第一级谐量之和来近似描写，即地温T（z，t）随地层深度z 和时间t 的变化，可用下式计算：
式中，z为从地表面算起的地层深度，单位是：m；
t为从地表面温度年波幅出现算起的时间，h；
T（t，z）为在t 时刻，深度z 处的地温，℃；
T。为地表面年平均温度，℃；
As为地表面温度年周期性波动波幅，℃；
a为土壤导温系数，m2/h；
w为温度年周期性波动频率，1/h，。
式（1）中，地层深度z处的地温年周期性波动波幅，记为As，随着地层深度z的增加，As以自然指数规律衰减，衰减程度用衰减度表示：
在计算过程中选择舟山的土质为沙质粉土，天然含水率为。导温系数为，由式（2）计算在地层深度z=15 m 处，衰减度a =0.11 %，查得舟山的地表面年平均温度T。=16.2℃。地表面温度年周期性波动波幅As= 10.9℃。通过计算得到该处地下15m的平均温度为T=16.21℃，而工作液的温度取5℃左右。温差为11℃左右。说明该地区有较丰富的地热能可供采取。
1.2 肋管与光管的传热效率比较
传统的地下埋管是光管，在传热学中我们知道在同等的条件下，光滑的表面和加肋后的表面相的传热效率相比可以用下面的公式来表：
式中为内表面光滑外表面加肋后的效率；
为内外均表面光滑表面的效率；
Ar为两个肋片之间根部表面积；
Af为肋片的表面积。
通过上式很容易比较出加肋后的效率要比光滑管的效率要大。
2 不同回填材料对传热效果的影响
地下埋管中工作液和周围土壤传热要经过地埋管内对流换热过程、地埋管管壁的导热过程、地埋管外壁面与回填物之间的传热过程、回填物内部的导热过程、回填物与孔壁的传热过程、和土壤的导热过程。
回填材料是介于换热器的埋管与钻井壁之间，是土壤与埋管之间交换热量的桥梁，用来增强埋管和周围土壤的换热，同时防止地面水通过钻井向地下渗透[5]，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交差污染。具有良好物理特性的回填材料，具有良好的保护管壁的作用，强化埋管和地层之间的导热过程，提高地下土壤换热器的传热能力，进而减小地下土壤换热器的设计尺寸和降低投资成本，更有利于地源热泵的推广与应用。
在描述回填材料的参数中，热导率最为关键，也是决定系统效率[6]高低的主要因素。而热导率主要与温度、密度、孔隙比、饱和度、含水率等有关，当回填材料的组成确定之后，饱和度和孔隙比也就确定了，温度对导热率的影响并不大，所以起决定性作用的因素应该是回填材料的密度和含水率。
在安装过程中我们应该考虑到施工地方的地下土壤的含水率对回填材料的影响，如果土壤含水量较高，回填材料的含水率也会相应的有所提高，传热性能也会增强。密度大的回填材料传热效率也会较大，但密度较大会降低回填材料的含水率，所以要综合两方面的考虑，结合当地的水纹和地质状况，设计出合理密度的回填材料，使传热效率最优化。
3 不同工作液对传热效率的影响
地源热泵地下埋管中的工作液对传热效率的影响非常大，如果工作液能在较低的温度下工作，工作液和管壁的温差将增大，对应的传热过程中的那一个环节，换热效率也能得到大幅度提高。
目前，大部分地源热泵空调机组使用的制冷剂[7]为R222，由于在使用地源热泵时会释放R222，这将严重威胁大气臭氧层，使得地球环境失去了臭氧层的保护，地面紫外辐射严重。全球变暖，海洋的热含量增加，冰雪的覆盖量减少，冰河已经消退，北半球的暴雨增加，等等这些异常的现象都表明地球已经变成了一颗脆弱的行星。
其次是地源热泵使用寿命一般为15年~30年，现投入使用的系统有跨越R222 最后使用期限2030 年的可能性，以后20年内更是如此. 投入使用的机器设备将因制冷剂R222 被禁用而报废，存在潜在的使用危机.同时，随着地源热泵技术的推广应用，机组中的R222 的潜在危害面也不断扩大. 因而，地源热泵新技术中不仅要考虑到传热效率的因素，更重要的是要考虑到使用期限的因素。
所以在选择工质的时候要综合各个方面进行考虑，在能保证高效率传热的条件下尽量的能够符合环境的要求，通过我们的努力，查找出以下几种工质比较满足地源热泵系统对工质的要求：水、氯化钠、氯化钙、乙二醇。这些工质污染小，对地下埋管的腐蚀性小，传热效率虽然没有R222高，但是也基本上能够满足要求。使用这些工质一方面有利于保护环境，另一方面有利于进一步推动新技术的广泛应用。
4 结论
地源热泵作为一项节能和环保的新型空调技术，对夏热冬冷地区采用全年冷暖联供，提高室内环境舒适度和降低空调能耗具有重大意义。本文通过3个方面全面的对地源热泵系统地下埋管进行了系统性的分析，并经过计算得出了相应的结论，希望能够对地源热泵系统的优化、节能、环保起到一定的作用。
参考文献
[1]《地下建筑暖通空调设计手册》编写组.地下建筑暖通空调设计手册[S].中国建筑工业出版社，1983：34-36.
[2]吴玉庭，顾中煊，马重芳.U 型管传热量影响因素的数值模拟研究[J].工程热物理学报，2007，28(1)：116-118.
[3]宋小飞，温治，司俊龙.地源热泵U 型管地下换热器的CFD 数值模拟[J].北京科技大学学报，2007，29(3)：229-333.
[4]袁艳平，雷波，余南阳，等.地源热泵地埋管换热器传热研究(1)：综述[J].暖通空调，2008，38(4)：25-32.
[5]陈卫翠，刘巧玲，贾立群，等.高性能地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究[J].暖通空调，2006，36(9)：126.
[6]李景丽.热管技术及其在供暖系统中的应用[J].制冷空调与电力机械，2003，24(4)：16-18.
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