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1地温梯度geothermalgradient又称“地热梯度”。表示地球内部温度不均匀分布程度的参数。一般埋深越深处的温度值越高，以每百米垂直深度上增加的℃数表示。不同地点地温梯度值不同，通常为(1—3)℃／百米，火山活动区较高。又称地热梯度、地热增温率。指地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。在实际工作中，通常用每深100米或1千米的温度增加值来表示地热梯度；在地热异常区，也常用每深10米或1米的温度增加值来表示地热梯度。地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃，大于这个数字就叫做地热梯度异常。近地表处的地热梯度则因地而异，其大小与所在地区的大地热流量成正比，与热流所经岩体的热导率成反比。因此，地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化，也可能来源于近地表岩体的热导率的变化。而在整个地球内部，地温梯度随深度的增加逐渐降低。地热梯度的方向一般指向温度增加的方向，称正梯度。如果温度向下即随深度的增加反而降低时，称负梯度。热田钻孔穿透热储层后，常出现负梯度。地温梯度异常可以用来研究地质构造的特征，同时对研究矿产（金，石油等）的形成与分布也有重要作用。地热梯度的倒数称地热增温陡度(geothermaldegree)，或称地热增温级(geothermaldegree)，其物理意义可以理解为温度相差1℃时两个等温面之间的距离。地埋管地源热泵系统设计中几个问题摘要结合天津的一个空调面积为14000m2地埋管地源热泵空调工程的设计，介绍了对地埋管换热器的取热量和散热量进行测试的实验方法，为工程设计提供了可靠的依据。对天津地区不加防冻液地埋管地源热泵机组进行了讨论，并分析了热泵机组采用满液式蒸发器，节电效果更加明显。关键词地埋管地源热泵，满液式蒸发器，防冻液一引言在地埋管地源热泵空调工程设计中，尽管有一些单、双U型管地埋换热器的传热模型[1,2]，可模拟埋地换热器内部流体随钻孔深度变化而变化的温度分布，预测地下埋管的换热性能，但完善的地质资料和热物性参数很难获得。此外，系统是否采用防冻液以及热泵机组选型都是地埋管地源热泵空调系统设计需要认真分析的。二井位设计天津中冷暖通洁净工程技术有限公司2006年6月承接了天津市汇源印刷有限公司地埋管地源热泵空调工程的设计和施工工作。这是一个工业项目，空调面积14000m2，空调总冷负荷1575kW，空调总热负荷1122kW。本工程包括厂房及综合办公楼两个子项，厂房的空调型式为全空气系统；综合办公楼的末端设备为风机盘管。本工程共设计100m深双U型地埋管换热器264组，其布置见图1。由于场院面积不能满足埋设地埋管换热器的需求，征得业主同意，在库房房心地面下桩基之间埋设地埋管换热器144组。库房由北向南共分三跨，每跨埋设地埋管换热器三组，每组十二个，沿东西方向布置，行距5.6m，孔距5.9m，共12组。库房东山墙外设有地下分水器三个，每跨一个分2水器连接三组地埋管换热器，库房西山墙外设有地下集水器三个，每跨一个，这样将地埋管换热器连成同程式。地下集水器井兼做放气井。厂区绿地、道路下共埋设地埋管换热器120个，分8组，每组15个，行距不小于5.8m，孔距5m。热泵机房内设有地埋系统分水器、集水器，分、集水器上设有DN90接管8个，分别连接厂区院内8个回路，另设有一个DN250接管与库房系统连接，每个接管上装有阀门，通过调整阀门使各支路达到水力平衡。本工程的特点是厂房中工艺设备发热量很大，即冷负荷远大于热负荷，地埋管换热器向土壤中散热量大于取热量，多年后造成热量不平衡使地温升高。设计中在热泵机房外设有开式冷却塔，在机房内设有板式换热器及冷却循环水泵。本工程将冷却塔循环水管、补水管、排水管及电源都做了预留。板式换热器及循环冷却水泵的基础都做好，设备暂时未安装，到需要时再进行安装。机房内地埋系统管路也都预留了接口。在天津市汇源印刷有限公司地埋管地源热泵工程设计工作中，结合以前多项地埋管地源热泵工程的设计[3]，本文对竖直地埋管换热器计算，对防冻液应用的看法，地埋管地源热泵机组选型有如下几点体会与同行交流。三竖直地埋管换热器计算随着地源热泵技术在我国迅速的普及应用，《地源热泵系统工程技术规范》[4]起到了重要的指导作用，成为每位工程设计人员必备文件。根据我们工程设计实践，天津地区按以上规范计算地埋管换热器数量有些不太方便。天津地区地质构造比较复杂，图2是地质勘察部门提供给某建筑设计院结构设计专业30m深度地质报告中的地质剖面图，从图中可以发现，在某一个勘察点天津地区地下土层变化较大，不同性质的土层种类较多，不同性质土层分界线也不平行。即同一土质层在不同位置厚度不相同，甚至某一土层在某一点可能消失。如能看到100m深度的地质剖面图，土层可能更加复杂了。《地源热泵系统工程技术规范》中给出了竖直地埋管换热器钻孔长度计算方法。按照这个方法首先要计算出工程中地埋管换热器周围岩土体热物理参数，对天津地区来说就是要计算地埋管换热器深度范围内土壤的平均导热系数、热扩散率等参数。从图2中可以看到很难找到某一勘察点，使这一点各地质层导热系数、扩散率的平均值正好是工程所在地范围内的平均值。为了找到平均值就必须多打勘察孔，天津地区地埋管换热器深度多在100m以上，这样勘察费用太昂贵，使工程造价过高。另外，地质勘察部门只能提供不同土层的土壤性质、密度等数据，很难从规范附录B“几种典型土壤、岩石及回填料的热物性”表中准确查到与勘查报告提供的土质，包括含水量、密度相对应准确客观的导热系数值、扩散率值，可能造成计算误差很大。特别是天津地区地下水位很高，据有关部门说地下水还有泾流，这就更增加了计算的不准确性。基于以上考虑，我们认为在天津地区采用实测法还是可行的。天津中冷暖通洁净工程技术有限公司自己研制了“地源热泵测试台”，并取得了国家专利。每项工程开工时利用工程地埋管换热器进行测试，按设定的工况从地埋管换热器流过定温定量冷、热水。做较长时间运行，使地下温度达到稳定后测取数据，确定该工程地埋管换热器的取热量和散热量。每一项工程在埋管地域内不同位置测出几组数据求出平均值作为设计依据。通过多项工程的测试发现在每项工程的地域范围内，不同的地埋管换热器取热量、散热量基本相差不大，这个方法简便、可操作性强。通过多项工程测试，我们发现天津地区不同的工程区域，同样地埋管换热器结构的情况下取热量、散热量都不尽相同。各项工程必须一项一测，不能简单引用其它工程的测试数据，使工程质量得到保证。已建成并投入使用的几项地埋管地源热泵空调工程实际运行效果都很好，得到了用户好评。我们开始做过的几3项地埋管地源热泵空调工程，地埋管换热器的长度计算时直接使用了按以上方法实测的取热量和散热量。通过回访发现这些工程的地埋管换热器运行季最终出水温度供暖期高于设定温度，供冷期低于设定温度。这个现象说明地埋管换热器数量偏多，设计偏于安全。我们分析这种现象产生的原因是：工程测试时是在地下平均温度下进行的。实际系统运行时地下土壤夏季储存了热量，而冬季储存了冷量，大地有很大的蓄热能力，有很大的热惰性，取热、放热工况更替时，地下温度场有一定更替周期延迟效应。另外，地埋管换热器长度的计算是以冷负荷或热负荷为基础，这些负荷数值是供冷期或供热期中一个较大的数值，大部分时间的即时负荷都小于这个数值，加上大地的热惰性，使计算出地埋管换热器的长度偏于安全。针对以上现象，我们认为每项工程地埋管换热器计算时为了降低工程造价应当对实测数据进行修正，修正系数与空调建筑物使用性质、地埋管换热器布置方式和运行方式有关。四对防冻液应用的看法在我国严寒地区，地埋系统循环水中必须加防冻液，这是不容置疑的。但是在寒冷地区，特别是天津地区，完全可以不加防冻液。地埋管地源热泵工程地埋系统循环水中加防冻液有以下几点不利方面：（1）地埋管地源热泵工程中常用的防冻液主要是乙二醇溶液，这种溶液对金属锌有腐蚀作用。目前中央空调水系统DN50以下的管道大多采用镀锌钢管丝接，空调末端设备水－空气换热器水的通道内也有镀锌保护层。大型热泵机组冬夏换向不可能采用制冷剂四通阀而是采用水系统阀门切换。供暖工况是末端水流经热泵机组的冷凝器，而地埋系统循环水流经热泵机组蒸发器，如果采用防冻液，则热泵机组蒸发器中充满了乙二醇防冻液。夏季供冷时，末端系统循环水要流经热泵机组的蒸发器，这样换向后蒸发器中的防冻液均进入末端系统管道，对镀锌造成腐蚀，当由供冷工况转入供热工况时冷凝器中的情况也是如此。当然可以将蒸发器、冷凝器中的防冻液全部放掉再进行清洗，但这样浪费太大，也给管理工作带来了很大的麻烦。（2）目前水泵样本中的技术参数，各种水管道的比摩阻，热泵机组样本提供的蒸发器、冷凝器的水阻力都是按清水测得的。目前还找不到采用某一浓度乙二醇溶液后的修正办法。在设计中如何准确选用水泵扬程还很困难，只能采取多打富裕量的办法，这使水泵选型和运行费用都不经济。（3）乙二醇价格昂贵会增加工程投资和系统运行费用。系统运行时要经常监测乙二醇防冻液的浓度，当溶液中浓度降低时要及时增补乙二醇，给运行管理带来麻烦。五地埋管地源热泵机组选型大家都知道，热泵机组的运行能耗是随着蒸发温度降低、冷凝温度的升高而加大的。有人粗略估算，在空调工况下蒸发温度每降低1℃能耗增加3％。上面已提到防冻液的负面作用。我们认为在天津地区地埋管地源热泵机组的选型应满足两点要求：（1）尽量降低机组运行能耗。（2）地埋系统循环水中不加防冻液。在我国北方地区冬季地埋管地源热泵从土壤中取热时，由于地下恒温层温度不高，地埋4管换热器的出水温度也不高。例如，我们在天津地区设定地埋管换热器进、出水温度为3.5℃～6℃，温差2.5℃，也就是说热泵机组蒸发器进、出水温度为6～3.5℃。如果地埋系统不加防冻液，希望机组蒸发温度在0℃以上，防止造成蒸发器冻结。也就是说热泵机组的蒸发温度与蒸发器出水温度差3.5℃，这个要求一般热泵机组都达不到。为达到此目的，可以采用两种措施：（1）向热泵机组生产厂家提出要求，特制干式蒸发器，加大地埋系统循环水与机组工质间的换热面积，减少传热温差。（2）选用满液式蒸发器热泵机组。工程实践中证实满液式蒸发器工质蒸发温度与蒸发器出水温差≤2℃。在我们设定的工况下完全不用加防冻液。一般水源热泵机组，工质的蒸发温度要比蒸发器出水温度低5℃。地埋管地源热泵技术目前很受人们青睐，主要是节能环保效果很明显。设计人在工程设计中要精打细算，真正达到节能效果。六结语在每项地埋管地源热泵工程设计初期，利用实验方法，对地埋管换热器进行测试，按设定的工况从地埋管换热器流过定温定量冷、热水，获得该工程地埋管换热器的取热量和散热量，可为该工程设计提供更加可靠的依据。已经完成的几个工程实际运行情况表明，在天津地区，地埋管地源热泵机组完全可以不加防冻液，这对地埋管地源热泵设计有重要参考价值。热泵机组采用满液式蒸发器，在地埋系统循环水同样温度进、出热泵机组蒸发器情况下，蒸发温度较一般热泵机组高3℃以上，其运行能耗下降约10％。随着地埋管地源热泵技术的不断普及，节电效果更加明显。地源热泵原理热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备，可以把消耗的高品位电能转换为3倍甚至3倍以上的热能，是一种高效供能技术。热泵技术在空调领域的应用可分为空气源热泵、水源热泵以及地源热泵三类。由于热泵是提取自然界中能量，效率高，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济的能源方式。在资源越来越匮乏的今天，作为人类利用低温热能的最先进方式，热泵技术已经在全世界范围内受到广泛关注和重视。地源热泵—地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。地源热泵空调系统主要分为三个部分：室外地能换热系统、水源热泵机组系统和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机组主要有两种形式：水-水型机组或水-空气型机组。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介