土壤源热泵综合实验室平台设计+CAD图纸(3)
1.2.1 土壤源热泵制冷原理及供冷原理图
土壤源热泵系统在制冷状态下，土壤源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，最终通过室外地能换热系统转移至土壤里。在室内热量通过室内采暖空调末端系统、水源热泵机组系统和室外地能换热系统不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器（风机盘管），以13℃以下的冷风的形式为房供冷（见图1.1）。
图1.1 夏季供冷原理图
1.2.2 土壤源热泵制热原理及供热原理图
土壤源热泵系统在制热状态下，土壤源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由室外地能换热系统吸收土壤里的热量，通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以室内采暖空调末端系统向室内供暖（见图1.2）。
图1.2 冬季供热原理图
1.3埋地换热器的形式[13]
与水源热泵、空气源热泵等比较，土壤源热泵是以土壤作为机组放热和吸热的场所。因此，埋地换热器是土壤源热泵系统的主要部件，它直接影响到热泵的性能。早期的埋地换热器，主要采用热阻小、抗压抗拉强度高的金属材料。实际使用中发现金属材料抗腐蚀性能较差、使用寿命短、造价相对较高等，这在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术的应用。随着材料科学的迅猛发展，现在的埋地换热器一般采用与土壤匹配性能好，抗腐蚀能力强，造价相对合理的聚乙烯塑料管等。
常见埋地换热器的管群敷设形式有三种，即水平式、垂直式、螺旋式（见图1.3）。
（1）水平式敷设换热管。管道平均埋深较小，工程开挖量小，施工方便，造价低，但换热器传热系数小。如果埋深太浅时，埋管周围土壤温度易受地上空 气温度波动的影响，甚至可能出现冻冰现象，换热管一般应埋设于土壤冰冻线以下。同时埋深太浅，埋管易受到地面荷载的碾压破坏。水平式埋管方式占地面积大，只适合于有足够场地的工程。
（2）垂直式敷设换热管。占地面积小，深层土壤的地温稳定性好，基本不受地上空气温度波动的影响，但需增加钻孔的土建费用，适合1～10m深的U型换热管垂直敷设。实际工程中采用最多的是垂直式敷设，其主要型式有U型管和套管两种。
（3）螺旋式敷设换热管。综合了水平式和垂直式的优点，占地最少，安装费用低，但系统阻力大，管道加工工艺要求高，文修复杂。
图1.3 埋地换热器的敷设方式
1.4 土壤源热泵系统的特点[13]
与广泛应用的空气源热泵相比，有以下特点：
（1）利用可再生能源，高效节能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了大约47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。因此，土壤源热泵采用的能源永远不会枯竭，是一种可再生的能源。研究表明，地表面5m以下的土壤，年平均温度基本上不随季节变化，且约等于该地区的空气年平均气温，这说明无论夏季还是冬季，都非常适用于空调系统。土壤源热泵借助于电能的消耗，从土壤中吸取难以直接利用的低品位热能，对温度为TK的热源供热，从而达到节能的目的。
（2）运行工况平稳。在室外空气温度高于35℃时，空气源热泵的制冷量就会降低；而在冬季，当室外气温低于5.8℃，相对湿度大于67％时，蒸发器容易结霜，如不及时清除，有可能堵塞风流通道，导致制冷剂不能完全蒸发，压缩机产生回液，热泵不能正常工作，故在冬季空气源热泵需频繁化霜，制热效率低，常需增设辅助加热器。与之相比，地下土壤温度较高且相对稳定，几乎不受地上温度变化的影响，没有结霜之忧，土壤源热泵运行工况平稳。同时，也节省了空气源热泵结霜、除霜所消耗的能量。