0前言
地源熱泵因其自身特點而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負荷相當?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負荷大于夏季供冷負荷，造成熱泵從地下土壤吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，土壤溫度逐漸降低，造成冬季使用時地源熱泵機組蒸發(fā)溫度降低，系統(tǒng)供熱量下降，耗能功率上升，供熱系數(shù)COP降低，一般情況下，土壤溫度降低1℃，會使制取同樣熱量的能耗增加3%～4%。同理，對于南方地區(qū)，由于夏季空調冷負荷大于冬季供暖負荷，地下土壤的溫度越來越高，機組的冷凝溫度提高，制冷量減少，耗能功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運行的可靠保證。
對于水平埋管地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進行充分地熱交換，因此不存在地下土壤的熱平衡問題。對于垂直埋管，如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱（或冷卻）方式，（混合式地源熱泵系統(tǒng)）。對于南方地區(qū)，夏季炎熱、冬季暖和，則系統(tǒng)運行時夏季排熱量遠大于冬季吸熱量，為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，可采用加冷卻塔方式輔助散熱。對于北方地區(qū)，冬季寒冷、夏季溫度適宜，則系統(tǒng)運行時，冬季吸熱量遠大于夏季排熱量，因此為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，可與其他能源相結合（如太陽能、生產生活廢熱、鍋爐等）。
1夏季排熱量大于冬季吸熱量
對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū)，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)或采用熱回收方式。
1.1冷卻塔應用
冷卻塔－土壤源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。
選型計算實例：
總建筑面積27946m2，總空調面積約18298m2，選型并配置空調系統(tǒng)。本項目空調冷指標取120W/m2，空調熱指標85W/m2，則總冷負荷為2196kW，總熱負荷為1555kW。
地埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設計的重點。地源熱泵地下?lián)Q熱器所處位置是在地殼中的淺層地表土壤中。土壤類型、熱性能、熱傳導、密度、濕度等對地源熱泵系統(tǒng)的性能影響較大。需根據(jù)該項目的實際情況，計算單位管長的換熱器能力。具體設計步驟如下：
1.1.1地埋管換熱器最大換熱量
地埋管換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤中吸收的熱量。根據(jù)如下公式計算土壤換熱器的換熱量
即系統(tǒng)夏季最大總排熱量為2635kW，冬季最大總吸熱量為1210kW。
1.1.2豎井埋管管長
單位管長換熱量與地質結構成分有密切關系，各地質層傳熱性能有差異，建立模型計算比較困難，而且也存在一定誤差，根據(jù)北京威樂項目的工程經驗來計算單位管長換熱量，單位孔深排熱量56W/m，單位孔深吸熱量34W/m。（單位換熱量根據(jù)該項目巖土熱響應測試后的實際情況調整）。
按排熱量計算地埋管的長度，計算公式如下：
則本項目室外地埋管總設計豎井數(shù)為360口。
1.1.4豎井間距
本項目埋管孔徑約120mm~150mm，下管深度100m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯雙U 管。根據(jù)工程經驗，設計井間距為5m，既能滿足換熱需求，又能節(jié)省埋管空間。地埋管換熱器管路連接方式結合串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式比較，本工程選用并聯(lián)換熱器連接方式。
1.1.5冷水主機選擇
系統(tǒng)冷負荷為2196kW，熱負荷為1555kW；選擇2 臺制冷量為310RT（1090kW）的螺桿式地源熱泵冷水主機，冷水主機型號為RTHD-D1。
1.1.6冷卻塔選擇
輔助冷卻塔采用閉式冷卻塔，剩余部分熱量Q4由輔助冷卻塔排出：
1.2回收利用多余熱量制造生活熱水
在夏季冷負荷大于冬季熱負荷的地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)土壤熱量得失不平衡問題，用冷卻塔將系統(tǒng)多余熱量散發(fā)至空氣中是較常用的方法，但浪費熱能，若合理利用這部分熱量，將是節(jié)約能源的一個有效方法。
系統(tǒng)夏季向土壤釋放的熱量大于冬季從土壤中取出的熱量，要利用這部分能量，應從建筑能源需求的其他方面考慮。如今建筑生活熱水一般是全年供應，已有一些工程將系統(tǒng)多余熱量回收用于制造生活熱水，不僅避免了這部分能量的浪費，還節(jié)約了部分制造生活熱水所需的一次能源。下面以武漢某工程為例分析這種方法的使用情況和效果。
注：1.制冷工況：閥門1、2、7、8開，閥門3、4、5、6關。
2.制熱工況：閥門3、4、5、6開，閥門1、2、7、8關。
實例：此工程是一座集辦公、實驗、對外接待的節(jié)能型辦公大樓。總建筑面積27242m2其中：實驗室8862m2，單身公寓1080m2，辦公17300m2（含地下室）。地下一層為車庫及設備用房，一層至四層為實驗室用房及單身公寓、餐廳；五至十九層為辦公用房，其中九層為計算機用房。主樓一至四層實驗室及五至十九層辦公樓（21000m2）擬采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為建筑物的冷熱源及提供單身公寓生活熱水。而單身公寓、附樓實驗室（6242m2）擬采用VRV 空調制冷及供暖。工程空調系統(tǒng)原理圖見圖2.
1.3土壤溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
埋管區(qū)共設置9個點，每個點垂直設置9個土壤溫度傳感器。
在該工程中，三臺熱泵機組的回收熱量承擔制造衛(wèi)生熱水所需熱量。地源熱泵機組在夏季運行時，機組蒸發(fā)器制冷對建筑提供冷量，同時冷凝器向系統(tǒng)外釋熱，利用蓄熱水箱或其他蓄熱裝置回收該部分冷凝熱，并制造熱水，夏季可由部分熱回收機組為用戶24h免費提供45℃~50℃的生活熱水；過渡季節(jié)及冬季用全熱回收地源熱泵機組提供50℃~55℃衛(wèi)生熱水；強化冷凝器換熱效果，提高機組運行的COP值。
2冬季吸熱量大于夏季排熱量
對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方地區(qū), 最常用的方法是采用輔助加熱系統(tǒng)。
寒冷地區(qū)，建筑冬季供熱負荷大于夏季供冷負荷，造成熱泵冬季從地下土壤吸取的熱量大于夏季向土壤排放的熱量，土壤溫度逐漸降低，系統(tǒng)供熱量下降，耗能功率上升，供熱系數(shù)降低。
據(jù)統(tǒng)計，一般情況下土壤溫度每降低1℃，會使制取同樣熱量的能耗增加3%~4%。所以，為了保證熱泵系統(tǒng)能夠長久、正常的運行，并充分體現(xiàn)其節(jié)能性，需要在系統(tǒng)中加入輔助加熱設備，以解決在寒冷地區(qū)應用地埋管地源熱泵所面臨的土壤熱平衡問題。太陽能集熱器是最常用的輔助加熱設備，系統(tǒng)可通過閥門控制來實現(xiàn)太陽能直接供暖，太陽能與熱泵聯(lián)合供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱運行流程等。冬季采暖時，以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調使用。夏季與過渡季節(jié)，太陽能集熱器主要用于提供生活熱水。太陽能—地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理如圖3所示。
太陽能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）（如圖4所示）
SGCHPSS系統(tǒng)將太陽能蓄熱與地源熱泵有機結合。充分利用太陽能和淺層地表能，將太陽能跨季節(jié)蓄熱結合到地源熱泵的地下埋管換熱器系統(tǒng)中，使地下土壤換熱器與地下蓄能合二為一，將太陽能儲存于地下土壤中，提高土壤冬季熱源溫度，提高地源熱泵效率，實現(xiàn)太陽能轉移利用。
計算實例：
北京別墅，地上兩層，建筑高度6.2m，總建筑面積408m2，室內外參數(shù)如表1所示：
計算建筑物的全年累計熱負荷為23478.3kW·h，全年累計冷負荷為11421 kW·h.
1. 逐月太陽輻射強度
根據(jù)國家標準圖集06SS128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》得北京逐月陽光輻照量如表2所示
2. 集熱器效率
太陽能集熱器集熱效率應根據(jù)選用產品的實際測試效率公式（9）或（10）進行計算：
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