地源热泵机组的设计

　　地源热泵的形式比较多，其中商用化最为广泛的是蒸汽压缩式热泵。对于户式地源热泵系统，以水-水系统为例，由一个室外机组和多个室内机组组成。该系统可以对每个空调室进行单独调节，满足各个空调室的要求，具有较好的节能效果。而变频户式地源热泵空调系统加上独立的新风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调系统。因而其优化设计具有极其重要的价值。

　　传统的制冷系统设计方法是基于经验加实验为主。通常经验设计方法简便易行，对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点，只适于产品的初步开发。而基于理论预测的优化设计技术可以有效。最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中，表征方案的一切独立变量为设计变量。最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。而评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量，即该指标为设计变量的函数-目标函数。在系统优化设计中，设计变量的取值常常受到种种条件的限制，即约束条件。

　　变频户式地源热泵空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路系统组成。根据制冷系统热力学理论，利用参数动态分布、相互关联的方法，建立系统各部件数学模型和运行参数动态方程，组成系统运行参数的方程组，并对该系统进行动态模拟。模拟系统的动态特性，为优化设计提供依据。为满足空调系统的节能、热舒适性及制冷制热好的效果，空调系统的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时，分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求，利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算，从而达到针对不同地域的地源热泵系统的优化设计的目的。

　　地源热泵地下换热器形式与布设

　　土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。地源热土壤换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。下面就竖直埋管换热器的设计进行简单的探讨。

　　竖直埋管材料和深度

　　埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE 管），铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择，如 DN20、DN25、DN32、 DN50 等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定，可以从20m- 200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，反之，采用浅埋。埋管间距一般以5-6米及以上，要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。

　　竖直埋管换热器回填、灵敏度

　　竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U 型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U 型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。

　　竖直埋管换热器中传热的衰减

　　竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物失热最多时，换热器中水温达到最低点。对于签埋管尤其严重。设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。同时，由于埋管换热器的表面结垢等影响，设计时要考虑衰减。设定值应通过经济比较选择最佳状态点。