北方冬季供暖的需求較大，那么如何利用水地源熱泵中央空調進行供暖呢，本文僅對北方寒冷地區應用地源熱泵的有關問題做一些討論，僅供參考。

 

  一 地下土壤的熱平衡問題

 

  因地源熱泵（GSHP）的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的地區。在寒冷地區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的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使土壤溫度有可能逐漸降低，造成冬季使用時地源熱泵機組的蒸氣溫度降低，致使系統供熱量下降，耗功率上升，供熱系數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，由于夏季空調冷負荷大于冬季供暖負荷，可能造成地下土壤的溫度越來越高，造成機組的冷凝溫度提高，致使制冷量減少，耗功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統的吸、排熱平衡是地源熱泵系統正常、高效運行的可靠保證。

 

  對于水平埋管的地源熱泵，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，一般埋深大多數30—100m，此時與地面及附近土壤的熱交換量較小，根據實測和理論計算，建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20％為好。如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱(或冷卻)方式，有的把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統稱為混合式地源熱泵系統。對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區，最常用的方法是采用帶有太陽能集熱器輔助加熱的太陽能—地源熱泵系統。對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統。上述兩種熱泵系統在一定的氣候地區，與單獨的GSHP相比，一般具有節省投資和降低運行費等優點。

 

  太陽能—地源熱泵系統可通過閥門的控制來實現太陽能直接供暖，太陽能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱的運行流程等。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用。夏季與過渡季節，太陽能集熱器主要用于提供生活用熱水。

 

  二 土壤凍結對埋管換熱器傳熱的影響

 

  在北方寒冷地區，冬季進入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結。根據定性分析，水份凍結時，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設計中不考慮土壤中水份凍結的影響，計算出的地下埋管周圍的溫度場偏低與實際情況偏差較大，水份越多，差別越大，因此設計中應考慮水份凍結的影響。但目前有關巖土凍結和其計算方法方面的研究文獻不多，但可以肯定土壤凍結對地下埋管換熱是有利的。有的文獻提出在長期連續運行時，如不考慮凍結的影響，換熱器尺寸要比實際偏大31％。有的采用簡化方法，把埋管與周圍土壤換熱過程按未結凍和凍結兩種模型計算，凍結時按凍結區的當量導熱系數、比熱和密度及末凍結時的導熱系數、比熱和密度分別建立盤管內流體能量方程、盤管壁的能量方程、土壤凍結時的能量方程、土壤末凍結時的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到凍結時和末凍結時的土壤溫度場分布情況。考慮凍結時的土壤溫度均高于未考慮凍結時的溫度，而且含水量越高，溫度差別越大。

 

  三 埋管內工作流體

 

  在南方地區，由于地溫高，冬季地下埋管進水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區，冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低于0℃，一般均使用防凍液。防凍液一般應具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長等特點。目前應用較多的有：

 

  ①鹽類溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

 

  經對水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)進行計算，計算結果如下。

 

  3.1 最小管內流速(流量)

 

  按文獻臨界雷諾數Rek＝2000，Re>2000為紊流，Re<2000為層流。由 和 的計算公式，求出上述三種流體不同管徑下的最小流速，即最小流量。計算結果為在相同管徑、相同流速下，其雷諾數大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說明采用CaCl和乙二醇水溶液時，為保證管內的紊流流動，與水相比需采用大的流速和流量。

 

  3.2 不同流體管內換熱系數 (W／m2?K)計算

 

  采用文獻[4]計算公式，其計算結果為在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數最大。其大小排序為水－CaCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值與管徑和流速有關，在常用管徑及流速范圍內，大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

 

  3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)計算

 

  由于地下埋管換熱器內流動一般均在紊流或紊流光滑(過渡)區內，即2100<Re<105。在此范圍內，根據文獻[3]的hf及沿程阻力系數λ的計算公式，計算結果為在相同管徑、相同流量下，CaCl水溶液的hf的水的1.44倍；乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。

 

  寒冷地區應用地源熱泵技術應考慮地下土壤的熱平衡問題，采用太陽能輔助加熱的系統是優先的選擇。土壤凍結對埋管換熱器的傳熱有利，設計中應考慮此影響。埋管內工作流體應采用不凍液，由于不凍液的熱物性參數變化，其埋管內最小流速，流體管內換熱系數、流體阻力均與水有很大的不同，設計中應充分注意