土壤源热泵空调系统因其突出的节能、环保等优势，近年来发展迅速且应用广泛.地埋管换热器是土壤源热泵系统设计的核心部件，若其设计不当，往往出现地埋管换热器设计不合理，系统投资过高、设备运行效率低下、运行能耗增加的现象。

目前地埋管换热器的研究多为模型建立及传热理论分析，对循环水温的选择及其优化设计问题却鲜有研究[5].地埋管换热器的设计计算方法主要有估算法、半经验公式法及计算机模拟法3种〔6]，基于“延米换热量”估算方法是目前使用最广泛的方法，其“延米换热量”的确定与循环水温密切相关.然而据国内现有的相关规范、手册及科研成果，冬夏季循环水温的选择确定方法主要有如下3种:（1）不分地域给出通用的水温值;（2）根据地域给出一定的水温选择范围;（3）当地土壤温度加上一定的温度选择范围.这些方法的循环水温的选择范围高达l0℃以上，增加了水温选择不当可能带来的土壤源热泵方案的不准确性.调查研究表明，即使对一些有实力的勘察设计单位，设计的地埋管换热器也可能存在有20%-40%的差异.本文将从工程设计的角度基于现有循环水温确定方法探讨地埋管换热器经济循环水温及经济埋管长度的优化设计问题.

1地埋管长度确定方法

1.1经济循环水温

系统的循环水温对系统的经济性及可靠性有重要影响，应在综合考虑地埋管换热器和热泵机组的参数以及运行条件的基础上，通过经济性分析综合确定.

在用户侧进水温度或空气温度一定的情况下，热泵机组的制冷、制热能力是由机组进水温度(即地埋管换热器出水温度)决定的，同时地埋管换热器的钻孔长度也与循环水温的确定密切相关.假设系统以夏季制冷工况设计，如果按前述循环水温确定方法设定的循环水温越高，那么循环水与土壤的换热温差越大(单位井深换热量增加)，设计的钻孔长度将越短，建设初投资降低.然而，在系统运行时，必将产生较高的地埋管出水温度，使热泵机组的制冷性能降低、机组运行费用增加，且可靠性降低.因此，应该有一个循环水温，既能够不使地埋管过长，又能保证热泵机组性能，即为经济循环水温.

1.2经济地埋管长度确定方法

针对现有各循环水温确定方法推荐允许范围内的不同循环水温值，以稳态方法进行系统的设计并计算与水温相关的系统建设初投资，以非稳态藕合模拟方法进行运行参数模拟，校核循环水温，计算与水温相关的系统年运行费用.最后比较不同循环水温对应系统生命周期内的水温相关折现值，其值最小者对应水温为经济循环水温，对应的方案为技术经济综合比较后的首选方案.其中，水温相关初投资、水温相关年运行费用、水温相关折现值是指其各项费用在系统设计及运行时受循环水温选择不同而引起变化的费用部分，而折现值是反映方案盈利能力的动态评价指标，用预定的折现率将计算期内的现金流量折合为现值.具体步骤为，首先依据各现行方法综合确定一组涵盖最大温度范围的地埋管换热器循环水温设计值，并利用相关软件计算建筑的全年动态负荷;然后针对每组循环水温进行以下步骤的计算:

(1)对某一循环水温，按照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2009完成热泵机组的选型、埋管换热器的设计计算;

(2)依据系统藕合计算模型进行系统的全年运行工况模拟计算，得到地埋管全年动态进出水温度、机组的全年动态性能以及热泵机组的全年能耗;

(3)在系统寿命周期内分别计算水温相关初投资及水温相关年运行费用，进而计算水温相关折现值.

完成上述计算后，比较不同水温对应系统生命周期内的水温相关折现值，其值最小者对应水温为经济循环水温，对应的方案为经济系统方案.

基于经济循环水温的土壤源热泵地埋管长度确定具体流程如图1所示.

由于空调系统运行过程中空调负荷是动态的，必然导致循环水温度变化致使机组能耗以及埋管换热器换热量逐时不同，然而机组夏季冷凝器放出的热量或者冬季蒸发器吸收的热量等于地埋管换热器的换热量.所以，系统全年运行能耗的计算必须建立系统藕合计算模型，流程如图2所示，对其进行运行模拟计算.其中，热泵机组的性能系数与其进口水温可以看作为二次函数的关系，可依据热泵机组的相关资料对其性能系数进行二次曲线拟合.换热器数值计算模型可只研究钻孔外土壤温度分布情况，不考虑钻孔内部的温度分布，假设热流量直接作用在钻孔壁上.此模型简化合理、误差小，同时计算速度大大提高，适用于实际工程设计.

2工程应用实例

2.1工程概况

本工程为陕西省西安市的某宾馆，建筑面积I8 }}} TT12，经全面分析及调研，确定采用土壤源热泵空调系统.根据工程实际情况及热响应实验结果，确定地埋管换热器设计基础数据，如表1所示.2.2系统设计及水温相关初投资

本工程地埋换热器采用竖直单“U"型埋管，管长计算采用了基于MATLAB的半经验算法.本工程主要以夏季制冷工况进行系统设计，以夏季循环水温作为主要讨论对象.2.2.1系统设计计算注:(30/25)℃表示地埋管换热器的进出水温度，进水温度为30 0C，出水温度为25℃.依据当地土壤温度及现有资料，地埋管换热器设计进出水温度范围夏季为(30/25)℃一(42/37)℃;冬季为(-5/0) 0C^-(10/15) 0C}ls}.依据上述设计基础数据及某厂家螺杆式水(地)源热泵机组数据进行系统的设计计算.针对不同的循环水温假设，夏季地埋管换热器设计进出口水温为(30/25)℃一(40/35)℃时，选取型号为KCWF2240BR的机组两台，水温为(40/35) 0C一(43/38) 0C时选取型号为KCWF2240BR与KC-WF2270BR的机组各一台，使得在所有水温温度范围内，制冷量及制热量均满足设计要求.

对于夏季制冷工况，根据上述循环水温范围，选取6组地埋管换热器循环水进出水温度分别为A;<30/25)0C,B;(32/27)0C,C;(35/30)0C,D;<37/32)0C,E;(40/35)0C ,F;<43/38)0C进行设计计算并讨论.为了方便，后面的图用出水温度代表进出水温度.根据设计参数，埋管换热器孔深定为100 m，计算夏季不同循环水温下的地埋管换热器钻孔个数如图4所示.

从循环水温与钻孔个数关系可知，随着夏季循环水温设计值的增加，地埋管换热器所需钻孔数量逐渐减少，随着循环水温的降低，钻孔个数增幅加剧，大大增加了初投资.2.2.2水温相关初投资计算对于不同循环水温对应的系统而言，初投资费用的不同主要包括由于选型不同而引起的机组费用的变化以及由于钻孔长度不同而引起的钻孔费用、管材费用、回填材料费用及人工费用的变化，其他费用相同或者相差不大，对水温及方案的选择确定没有影响.因此，水温相关初投资仅考虑机组费用及由钻孔长度不同而引起的相关费用.

依据不同夏季循环水温设计值对应的换热器钻孔数量及热泵机组型号计算系统的水温相关初投资，结果如图5所示.根据当地设备材料及人工市场，根据表1中的钻孔数据，确定其钻孔综合造价为11 000元/孔，此价格综合考虑了水平干管及其各种阀门及管件的材料及人工费用.机组KCWF2240BR与KCWF2270BR的价格分别为44.8万元和51万元.

由图5可知，随着夏季循环水温的增加，钻孔数减少，系统的初投资也逐渐降低.夏季循环进出水温为(30/25)℃时系统的初投资较(43/38)℃时增加了229.2万元，增幅达80%以上.当夏季进出水温设计值为(40/35)℃时，机组型号有两种选择，系统初投资差异为6.2万元.

2.3运行模拟及水温相关年运行费用

依据整个系统设计及工程计划，本宾馆拟夏季制冷工况优先运行，因此以6月16日。时作为数值计算起始时间，进行为期一年的系统运行模拟并计算水温相关年运行费用.

2.3.1系统运行模拟按照数值计算模型计算

不同循环水温对应系统全年地埋管出水温度如图6所示，热泵机组组全年动态性能如图7所示.

在系统全年运行中，随着夏季循环水设计温度提高，制冷季任意时刻，地埋管换热器出水温度升高;供热季任意时刻，埋管换热器出水温度降低.同时，随着夏季循环水温的提高，全年任意时刻，热泵机组性能

2.3.2水温相关年运行费用计算

在系统年运行费用的比较中仅需考虑水温相关年运行费用，只要计算热泵机组的年运行费用即可.

由建筑全年动态负荷与热泵机组全年动态性能系数计算热泵机组的全年耗电量，然后依据西安商业用电收费标准即可计算出热泵机组运行电费，即水温相关年运行费用.不同夏季循环水温下系统的水温相关年运行费用如图8所示.

由图8可知，随着夏季循环水温设计值的增加，系统的年运行费用增加.夏季循环进出水温为(43/38)℃时较(30/25)℃时年运行费用增加了16.69万元，增幅37%以上

2.4经济循环水温及最优管长确定

由水温相关初投资及水温相关年运行费用，按照前述折现值计算公式计算并比较所设定的不同循环水温设计值A/B/C"二对应系统的水温相关折现值，计算结果如图9所示.系统地上部分寿命周期按20年计算，地下部分按50年计算.

由图9可知，随着夏季循环水温设计值的增加，同寿命周期内折现值呈先降低后增加的趋势，也就是说，在这个温度范围内必然存在某一值使得系统的整体经济效益最佳.本工程而言，经济性上，当夏季循环进出水温为(35/30)℃一(37/32)℃时，寿命周期内系统折现值相对较小.结合可靠性，确定本工程的经济夏季循环进出水温应该(35/30) 0C^-(37/32)℃之内.由图4可知，当循环进出水温由(35/30)℃增加至(37/32)℃时，钻孔个数由304降至274个，初投资可减少33万元.这样，设计上可选择(37/32)℃为经济循环水温，对应的地埋管钻孔个数274个(钻孔总长度27 400 m).

3结束语

土壤源热泵系统设计中，地埋管换热器循环水温的选择确定对整个系统经济性以及运行可靠性有着重要影响.本文介绍的基于经济循环水温的最优土壤源热泵地埋管长度确定方法，不仅保证了系统的经济性与可靠性.同时，此方法有效避免了目前地埋管换热器的设计计算中普遍采用的偏于经验化的基于“延米换热量”估算方法而导致的计算结果偏大和地埋管换热器、热泵机组及建筑负荷将不匹配的问题，使得土壤源热泵技术的节能优势、经济效益更加凸显.该方法从工程设计的角度为土壤源热泵设计方案优化提供了一种切实可行的思路.