摘要：本文对浅层地热能资源的状况进行了分析及评估，进行了负荷计算，介绍了地源热泵系统设计，提出了设计中应注意的问题，决定是否采用地源热泵系统及选择哪种地源热泵系统，以帮助工程技术人员真正理解地源热泵系统的设计理念，从而正确设计和使用地源热泵系统。
关键词：地源热泵；设计；应用
地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵技术在供热和空调工程中的应用因其具有显著的节能与环保效果而受到国家有关部门的重视及有关科研和工程技术人员的青睐，国内已有越来越多的供热空调工程采用了地源热泵技术。
1、浅层地热能资源的状况评估
设计人员首先要做的就是掌握该设计地域的浅层地热能资源的情况。对有地表水的地域，需要掌握该水域的相关资料，包括：地表水水源性质、水面用途、深度、面积及其分布；不同深度的地表水水温、水位动态变化；地表水流速和流量动态变化；地表水水质及其动态变化；地表水利用现状；地表水取水和回水的适宜地点及路线。对有地下水资源的区域，需要掌握：地下水类型、含水层岩性、分布、埋深及厚度、含水层的富水性和渗透性、地下水径流方向、速度和水力坡度、地下水水温及其分布、地下水水质、地下水水位动态变化及当地的相关规定，在满足相关规定的条件下，分析决定是否适合采用地下水地源热泵系统。
对建筑周围有大量空地可利用时，需要掌握该地域的地质资料，可通过查手册、取样或现场测试三种方法来获取岩土层的结构、岩土体热物性、岩土体温度、地下水静水位、水温、水质及分布、地下水径流方向、速度、冻土层厚度。通过分析地质结构，以决定是否适合采用地埋管地源热泵系统。在对方案进行分析的时候必须对方案在成本、运行费用、是否会对原浅层地热能资源造成影响或破坏等因素进行综合评价比较，如果会对原浅层地热能资源造成影响或破坏，则即使其他方面的条件比较优越，也不能采用。所以设计人员不仅需要做认真调查，还需要详细分析，和承建商做好充分的沟通，最后确认方案。
2、地源热泵系统的负荷计算
对采用地源热泵系统而言，负荷计算应计算该建筑物全年的冷热负荷，通常采用专业负荷计算软件进行计算，通常有两种方法：一种是静态法，即假定传热过程是稳态的；另外一种是动态法，即考虑现实传热过程的延时及衰减效应。在早些时期，由于计算机的相对落后和缺乏，所以只能采用静态法进行计算，而对科技日新月异的今天，动态计算法已经可得到非常好的实现。所以现在基本都是采用动态法来进行负荷计算。
在计算出冷热负荷后，由于冷热负荷的不一致性，所以需要考虑不同的方案来确定装机容量。通常冬季热负荷要小于夏季冷负荷，所以通常需要选择其他冷热源作为地源热泵系统的补充，以达到冷热量的相互平衡。所以对只设计冬季供暖而不同时设计夏季供冷的建筑物（以居民住宅居多），是不能采用地源热泵系统的，否则将导致浅层地热能的消耗，能源品味降低，最终使地源热泵系统失效。
3、地源热泵系统设计
3.1地表水地源热泵系统
可用作地源热泵空调系统冷热源的地表水包括：湖水、江河水、海水、污水。地表水水源热泵在我国各典型气候区具有普适性；关于地表水地源热泵系统的设计，其具体各种水源的设计又存在一定的特殊性。对海水，因各海域水质的不同，应用的换热装置、管材都不尽相同。另外还有一些特殊水如中水、煤矿坑道水等的设计案例还要进行具体分析。
3.2地下水地源热泵系统
地下水地源热泵系统的设计根据各地域地下水的水质条件而定。如果水质条件较好，可采取开式环路系统；如果水质条件不太好，可采用闭式环路系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥砂和腐蚀性杂质对热泵机组的影响。
3.3 地埋管地源热泵系统
地埋管地源热泵系统的设计，根据地质条件的不同，地埋管的敷设方式可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三类。水平埋管又分单层和多层，串联和并联埋管。垂直埋管根据地质情况又可采用单U管或双U管。
4、设计中应注意的问题
海水利用方面，采用间接的方式将海水作为冷热源，基本上对环境不会造成破坏，但对系统所在附近海域由于热泵系统的放热和取热对海洋生物是否会造成一定的影响和破坏还有待研究。通过对热泵系统对环境的影响进行分析，对江河水的利用效果不算太满意，从保护环境及生态平衡方面来讲还存在影响和争议，对湖水的利用虽符合热泵的设计理念，但是否会对湖水中的生态平衡造成影响还有待研究。污水热泵系统相对环境而言没什么影响值得大力推荐和应用，只是因污水水质的不同，在技术上还存在特殊性，设计时需要特殊考虑和处理。
地下水设计方面，从理论上来说，抽水后地下水经过地源热泵机组的能量交换能够全部回灌到同一含水层，很多成功的工程经验也印证了这一点，但实际工程中未能达到全部回灌要求或根本未进行回灌的工程也不在少数。热源井设计和施工时，应同时留出观测井或观测孔，抽水、回灌井计量仪表，有些城市为加强对地下水的保护，可在达到上述监测手段的基础上，对抽水、回灌量及水质进行在线监测，有利于地下水地源热泵系统合理取水并避免对地下水的破坏和污染，同时回灌技术也还需要进一步发展和完善。
在地埋管地源热泵系统的设计中，土壤源热泵系统的实施前提，但各地方的地质情况均不尽相同，所以最好对该地域进行现场取样测试，掌握数据资料，以使设计满足使用要求。虽然在试运行阶段可能满足要求，但长期而言可能会逐渐失效，不满足地源热泵的设计理念。对在住宅建筑中的应用，除非同时设计空调和采暖系统且利用其他能源平衡冷热量的高档社区外，一般只设采暖的住宅小区不适合采用。
5、结语
近年来，我国地下水资源日趋紧张，一些地区地下水位持续下降，造成了地而沉降、产生地裂缝等危害，以前小缺水的南方一些城市和乡村现在也出现了用水紧张的状况。水资源紧缺不仅给人民群众的日常生活带来很大不便，而且已成为影响我国经济和社会发展的重要因素，这也是地源热泵技术能在我国得到大面积推广应用的大环境。本文对其发展和应用中的一些问题进行了深入探讨：
浅层地热能观点是片面的、不全面的，地源热泵系统真正的设计理念不是将它作为一种冷热源而是将它作为一种能源的载体；方案的确定需要综合考虑资源、经济、环境等多方面的因素；海水的应用对海水微环境是否会造成影响需要进一步研究；污水及一些特殊水的应用值得推荐，但工程不具备通用性，需要特殊考虑和处理。地下水的应用，要注意对环境的影响，保证回灌，回灌技术还需进一步发展和完善。地埋管地源热泵系统的设计相对成熟，但对住宅建筑的使用，除非同时设计空调和采暖系统且冷热量平衡的高档社区外，一般的只设采暖的住宅小区不适合采用。
参考文献：
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