地能热泵系统作为一种利用可再生能源的供热制冷系统，以其节能、环保和稳定等优点，在国内正得到快速推广。但在推广中，因为对系统认识的差异，对于地能热泵系统的设计研究，基本处于探索期，由于一些厂家的非优化设计，也导致了地能热泵系统运行效率的下降。本文针对地能热泵系统的发展情况，介绍了地能热泵的设计步骤，并对设计中一些常见的问题进行分析，指出地能热泵系统设计需要一个整体的优化方案，而不是简单的将室内、机组和埋管简单的组合。
1、背景概述
地能热泵系统，（Geothermal heat pump systems）是利用地下的岩土作为稳定的蓄热体，利用热泵原理实现季取热储冷，夏季取冷储热的闭路循环系统。地能热泵系统一般由三个部分组成：大地换热器、热泵主机和空调末端。其中系统的关键是大地换热器的设计和施工。 地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（The geothermal heat pump consortium）的统计，到2003年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为3720万平方米，瑞典为2000万平米，德国为560万平米，加拿大为435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。
北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商，ASHERE也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，若专门的补贴、政府推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有CLIAMTMASTER 、WATER FURNACE 等 ，他们提供符合ARI的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单U型的垂直埋管方式和水平埋管的方式。钻孔深度为50-160米。
在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。对于大地换热器，欧洲技术更多地采用的是双U型的垂直埋管方式。
在中国，地能热泵还是一个刚刚开始的新制冷供热方式。由于北京等城市对大气污染的关注，取消煤锅炉供暖，在1998年-2003年，促使了水源热泵的快速流行，但水源热泵的在国外的应用实践表明，水源热泵只有在特定的条件下，才能取得较好的效果。更多的情况下，由于考虑到开采地下水可能带来的地质限制、水位沉降、水质污染、水井老化、回灌困难等问题，采用水源热泵从建筑的LCA分析上并不是最佳。所以在2000年前后，国内的一些大学和厂家开始在国外技术的基础上建立了一些研究性的样板工程，从2004年开始，地能热泵的项目越来越多。但中国的现状是多种技术流派各种方案都在尝试流行，不同厂家推广的的技术方式差异很大，虽然相对于空气源和水源热泵，整体效果不错，但不同的系统间，差异却相当的大，在系统的设计中，也暴露了不少的问题。
2、地能热泵系统设计现状
地能热泵系统由于地下土壤换热的复杂性以及大地换热器地下埋管的施工成本较高，所以，地能热泵系统设计要求与常规的风冷热泵和水源热泵相比有很多的不同。其中最主要的差异在于地下换热器参数的选取，和建筑逐时负荷累积确定。而这些对于一般的设计院和工程公司都是没有经验可以依据，又没有理论方法和工具解决的问题。一般来说，对于常规空调系统，根据设计工况，确定建筑的最大负荷，选择匹配合适的机组即可。而对于地能热泵，则不仅需要根据工况，确定最大负荷，而且需要逐时负荷和累积总和，并考虑到大地岩土换热保热能力才可以确定系统的平衡。所以地能热泵的系统设计对于不同地区，不同的建筑用途，设计出的方案应当不同。而不是简单地照搬照抄以往的设计参数。
国内目前对于地能热泵的宣传和研究更多地集中在其优点和国外的应用上。其中对于设计方面的研究才刚刚起步，学术界更多地还是集中在不同换热模型的分析比较上，而对于实际应用中的问题，基本还没有形成研究成果。许多的工程都是探索性的尝试，虽然有国外的模型来用作设计指导，但由于应用的不同以及对地能热泵系统的本质差异认识不足和自身的行业领域资源的限制，没有形成适合中国应用的设计标准和规范。
由于理论往往不能指导实践，所以出现先施工再总结的设计，甚至有的公司根据别人经验估计而施工的情况，对地能热泵系统的推广造成了很大的隐患。
从理论上讲，地能热泵系统设计需要经过以下几个步骤：
一、对建筑类型和基本地理情况的分析
对建筑类型分析包括以下内容：建筑的形态、结构、维护和保温、层数、层高、用途、客户现在和未来可能的需求等等，对基本地理情况分析包括以下内容：地理位置、周围地貌、气象参数、未来地域发展规划、地下构造等等。这两个方面的分析，可以从宏观上决定是否可以采用地能热泵系统。只有上述的各条件经过综合分析，满足地能热泵系统要求，应用地能热泵系统才能取得预期的经济效果。
二、对建筑的负荷的计算和评估
在确定可以应用地能热泵系统后，设计的第一步就是对建筑进行逐时负荷计算，需要模拟确定出一年不同时期的需求的冷量和热量，并区分基础负荷和尖峰负荷。以及持续的时间和强度。在确定建筑负荷时，必须考虑到未来较长时间的气候变化情况。通过对建筑负荷的计算和评估，可以确定大地换热器的吸热和放热的绝对量值，和尖峰冲击的承载能力和方式。
三、对地下岩土的分析
对地下可能存在的地质层次和深度进行估计，可根据地质勘探报告以及其他来源的地质资料信息估计地下岩土的种类和特性，从而初步确定地下岩土层次构成和物理参数，以及岩土温度和湿度，地质热力参数以及不确定因素的可能影响和评估。地下岩土分析是大地换热器设计的重要基础和决定系统方案和成本的关键。
四、初步方案的设计
首先选择合理的模型，根据经验进行初步的设计，然后利用专业的计算软件，进行系统的优化和校验，最终，选择一到三个可以应用的备选方案。并以此来做初步的系统设计。
在初步方案阶段，基本确定了换热器的型式、管材、布局、流速分布、回添方式等。
五、钻孔实验
在没有充足地质资料或大型项目的设计时，完成初步方案设计后，必须进行钻孔实验以验证设计输入参数的正确与否。对于钻孔实验，应当获得地质结构物理构成和热力参数。必要时，还可以进热力变动影响实验。以确定大地承载能力。
六、正式方案设计
在以上五步的基础上，复核所有的输入参数，并与甲方沟通确认，才开始正式的方案确定，并设计整个系统。确定大地换热器和地能热泵系统，并确定关键的工艺参数。
空调所徐伟曾编译过美国供暖制冷空调工程师学会编著的《地源热泵工程技术指南》，瑞典Eskilson教授开发的Earth Energy Designer 软件，都可以作为设计的参考和工具。
3、地能热泵系统设计的一些关键问题
对于地能热泵系统设计，根据对前期地埋管系统的应用实例调研，发现不同系统运行效果差异很大，为总结比较不同系统的优缺点，更好地优化系统，发挥地能热泵节能高效的特点，对其中一些关键的设计问题，特分别阐述如下：
3．1 换热器型式的选择。
从理论上讲，大地换热器，可以采用水平埋管、垂直埋管和在江河湖海中浸泡的形式，而对于每种形式，又有不同的具体形式，比如垂直埋管就有单U、双U、三U，套管等多种形式。每种形式都有其特点和优点。
但从工程应用的角度看，在我国北方地区的应用中，采用单U和双U证明是比较适合的形式。而其中主流是选用PE80或PE100级的HDPE管材，一般选用管材直径为DN32，这主要是由于一方面该管径系列相配套的专用管件比较丰富，另一方面，该管可满足设计的换热量要求和强度要求。DN25的管材在应用中曾发现强度不足的现象。
而对于设计的钻孔深度，实际的应用中，从50米到160米都有，但需要指出，并不是钻孔深度越深越好。而确定合理优化的深度，除了地层的考虑外还特别需要考虑到管间的相互影响和每个单路的温差设计。一般对于双U系统，采用5度温差，理想的深度为100米左右。
至于不同孔之间的间距，需根据热影响确定，一般不应小于4米。
3．2 换热器水平管路的联接方式。
换热器水平管路的联结方式，往往是设计忽略的一个方面，但事实上，由于水平联结设计不合理，导致管内流速分布不均，已经造成一些系统运行的失效。特别对于大型系统，水平联结就更为关键。
北京地区的一些项目，初始设计采用异程设计，导致不同回路，水流严重不均匀，最后必须依靠流量调节阀来平衡各路的水流量。但对于单个竖埋回路，则基本无法调整。根据计算模拟，水流速变动最多可使换热器能力衰减20-25%。
水平联结的基本方式有同程式、异程式和类集分水器型。
其优点是节约管材，降低施工成本，但由于其无法避免不同回路水流不均匀的问题，所以对于大型的系统设计，甚至可能导致某些回路换热能力损失20-25%，所以对于超过10孔的联结，不推荐使用同程联结。
其通过保证各回路的流程相同，解决了各回路的水流平衡，但对于地埋系统，其增加了每个回路的流程，也导致整体的压降增加。目前，是主流的地埋系统水平联结方式。
其基本原理是将水平管改为集分水器的形式。这种模式一方面可以保证系统分配均匀，降低回路系统的压力降，并且可以降低回路设计水温差。
根据北京中创动力的设计经验，采用类集分水器型式的水平连接，可以很好地实现系统的水力平衡并降低水泵功耗。如北京某项目采用第一种方式联结，70个孔的系统，水泵设计功耗为55KW，实际运行出现水流不均， 达不到设计能力,增加流量平衡阀后，系统改善,但水流进出的压力差高达0.3MPa。而天津类似项目采用第三种方式联结，100个孔的系统，水泵设计功耗为30KW，系统运行良好，实际运行进出水压力差为0.1MPa。
3．3 换热器设计采用大流量小温差
对于大地换热器设计，在基本管材参数和分布形式确定后，最为关键的就是流速流量的设计。大地换热器设计应采用大流量小温差的设计理念，根据传热学的基本要求，最小流速需要保证雷诺数大于2300。而设计的温差，最好保证在3-5度。地埋系统不同于打井的系统，由于不取地下水，所以不应采用小流量大温差的水源热泵系统设计。
采用大流量小温差的方式，具有以下的优点：一是可以提高提高机组的效率，无论制冷或制热，采用大流量小温差，都可以改善机组的工作工况，在夏季，可以降低冷凝温度，而 冬季，可以提高蒸发温度。二是可以提高换热效率，采用大流量设计，可以提高单个换热回路的整体换热能力。三是可以选择更深的孔深，由于温差小，则减少管间影响，可以应用更深的孔。四、可以更好地发挥各单回路的换热能力。由于水量大，保证各回路水温的均匀，不会因为混水而降低各回路能力。
但应用大流量系统设计，为防止泵耗增加，必须配合好的水平联结。
3．4 机组选择
根据上面的介绍，对于地能热泵主机，必须配合整个系统的要求。建议采用专门设计的地能热泵机组。对于水环热泵方式的机组，必须能在低水温工作，可以按照美国ARI标准来选择。或参照国外的产品样本进行选型。
而对于水水系统，则应选择小温差的定制机组。目前，市场上的水源热泵根据国标，均采用大温差小流量设计，不能简单地拿来做地能热泵主机。
国内地能热泵系统刚刚起步，但主要由工程公司来推动，中创动力致力于提供整体的系统解决方案。可以提供设计方案和配套的专用机组。
4、结论
地能热泵系统由于其节能环保稳定的特点，在全球得到快速的发展。中国的地能热泵系统应用正刚刚起步，但在设计方面，还没有形成统一的标准。
地能热泵系统设计应该在对建筑类型和地理地质了解的基础上，借助软件进行初步模拟设计，并在对输入参数验证的基础上，完成正式方案设计。
地能热泵系统最重要的是需要一个整体优化方案，而不是简单的将室内、机组和埋管简单的组合。地能热泵设计应当采用大流量小温差的设计思路。相对应的应采用类集分水器型式的水平管联结设计和专用地能热泵机组。