地源热泵空调系统技术与设计方案介绍

1、第一部分地源热泵工作原理地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源， 冬季把地能中的热量 取”出来，供给室内采暖，此时地能为 热源”夏季把室内热量取出来， 释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为冷源”地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水一水式或水一空气式。水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。第二部分地源热泵系统的分类和应用方式按照室外换热方式不同又可分为四类：1.埋管式土壤源热泵系统，2.地下水热泵系统，3.地表水热泵系统。1、埋管式

2、土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统，包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。1) 水平埋管地源热泵系统(Horizontal ground-coupled heat pump )当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下.Pipe in trench当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器的布置问题，常有的布置方式有以下两种.（a）串联式水平埋管1

3、6Connection in series(b )并联式水平埋管Connection in parallel2)垂直埋管地源热泵系统(Vertical borehole ground-coupled heat pump )(a) 当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少可以直接接入机房(b) 当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器井群的布置问题，一般是 若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。3Manifold inside or at the building换热器井管路直接接入机居换热講井管路辽集到集水器（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：

4、桩基换热器，即在桩基里布设换热管道。Wall of pileHeatexchanger pipes steel cage (reinforcerrent) ca. 700 1112? ica 900 mm（d ）地热智能桥：类似桩基换热器，在桥板中埋管，雪落到桥面后，这些盘管利用地热将 雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。3）螺旋埋管地源热泵系统（a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统Slinky collector(b)长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统(盘旋布置埋管地源热泵系统)Svec spiral collector(C)特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，

5、也 有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。trench collector2、地下水热泵系统通过也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出,次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。 通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行。water tiiblePump一一罢-uconEd单井换热热井：也就是单管型垂直埋管地源热泵， 护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞, 孔深450m。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为 不加任何固井设施。 典型孔径为150mm，water tablegravel11I

6、I1 1丄Pump一3、地表水热泵系统：由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了 土壤热交换器，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。4、直接膨胀式：它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的蒸发器直接埋入地下进行换热，即制冷剂直接进入地下回路进行换热， 由于取消了板式或者套管 式式换热器，换热效率有所提高，但是由于制冷剂使用量比较大， 整体经济性和安全性不高。应用方式：地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，1. 家用系统2. 商用系统从输送冷热量方式可分为集中系

7、统、分散系统和混合系统。1）集中系统：冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。2）分散系统：用户单独使用自己的热泵机组调节空气3）混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类 似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。-1第三部分、地源热泵的方案设计一.循环水换热器的计算二、土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容， 其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使 用。地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确

8、定，管道阻力计算及水泵选型等1、 布置型式目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布置型式，即水平埋管和垂直埋管。选择方式 主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。尽管水平布置通常是浅层埋管，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。1.1水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层， 而且占地面积较少，因此应用多层

9、管的较多。 （单层管最佳深度1.22.0m，双层管1.62.4m）MIN.C. bl近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。1.2垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋 （w 30n）、中埋（31 80m）和深埋（80m ）。1） U形管型：是在钻孔的管井内安装 U形管，一般管井直径为100150mm ,井深10200m, U形管径一般在$ 50mm以下（2） 套管式换热器：的外管直径一般为10020

10、0mm，内管为$ 1$ 25nm。其换热效率较U形管提高16.7%。缺点：下管比较困难，初投资比U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度w 30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。2地下埋管系统环路方式：串联方式和并联方式串联方式的优点是：一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出； 串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于其缺点是：串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；安装劳动成本增大；管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大

11、。并联方式的优点是：由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；所需防冻液少; 安装劳动成本低。其缺点是：设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；各并联管道的长度尽量一致 （偏差应 10%,以保证每个并联回路有相同的流量；确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多3 土壤换热器的埋管材料3.1管材选择一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）国外

12、地源热泵系统中得到了广泛应用。PVC （聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容 易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。3.2管件与连接热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）电熔联结It f电熔接头巻干电熔焊机討播联搖电熔联接埋管管长与埋管间距的确定地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外,还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等（可以通过热响应实验测得）土壌热响应实脸仪器-叵mPump|泵Heating CyclePump热泵循坏数据传

13、输与控制单元tmel进口溫度燃r锅炉GasboilerTG出U温厦MFC土壤热响应实脸仪盎控制原連圏（热泵工况）5.1水平埋管：确定管沟数目及间距埋管管长的估算：利用管材换热能力”，即单位埋管管长的换热量。水平埋管单位管材 换热能力在2040W/m （管长）左右，；设计时可取换热能力的下限值，即20 W/m。单沟单管埋管总长具体计算公式如下：其中L埋管总长，m1 Q冬季从土壤取出的热量，Kw ,分母“20是每m管长冬季从土壤取出的热量，W/m单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70的热干扰系数（热协调系数）为了防止埋管间的热干扰，必须

14、保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关。建议串联每沟1管，管径1/42;串联每沟2管，1又1/41又1/2。并联每沟2管，11又1/4;并联每沟46管，管径13/41。管沟间距：每沟1管的间距1.2m，每沟2管的间距1.8m，每沟4管间距3.6m。管沟内 最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。5.2垂直埋管：确定竖井数目及间距一般垂直单U形管埋管的换热能力为 6080 W/m（井深），垂直双U形管为80 100W/m（井深）左右，设计时可取换

15、热能力的下限值。垂直双U形管埋管总长具体计算公式如下其中L埋管总长，m1 Q冬季从土壤取出的热量， Kw ,分母“ 80是每m管长冬季从土壤取出的热量，W/m计算竖井数目：N= L/ （4*H ）（ H为竖井深度，50100m）竖井间距：工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大,埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m;若连续运行（或停机时间较少）建议取56m6埋管系统的管径选择及水力和换热计算6.1管径的选择原则确定管径必须满足两个要求：（1 ）管道要大到足够保持最小输送功率； （2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然

16、，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑地下热交换器埋管常用管径有 20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在 1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH20/100m当量长度以下。6.2埋管内工作流体南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0C以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0C,因此一般均需使用防冻液（盐类溶液一一氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等）。6.3有关水流量和压力损失6.3.1计算管道压力损失采用当量长度法6.3.2水泵选型根据上述计算

17、最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满 足要求的水泵型号及台数。6.3.3校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和（0.5 h p这个数字比较保守）即：p=p0+ p gh +0.5ph其中p管路最大压力，Pa,0 p 建筑物所在的当地大气压，Pa地下埋管中流体密度，kg/m3 ,当地重力加速度，m/s2h 地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m,ph水泵扬程，Pa6.3

18、.4 土壤换热器的选型计算其他注意事项 地下埋管换热器环路压力损失限制在3050kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。29 地下埋管系统单位冷吨（1冷吨=3024kcal/h=3.52kW ）水流量控制在0.160.19L/S 最小管内流速（流量）：在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。所以采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。7、其他工程建议.室外环路埋管的深度和长度主要取决于当地土壤的导热系数，导热系数1.6的土壤被认为是极好的土壤，尽量避免在土壤导热系数低于1.2的场合使用土壤热泵.下管的深度决定采取热量总量的多少，所以

19、必须保证下管的深度（一般是将预先装配好 的埋管上面标好相应的深度记号，再运到施工现场）下管一般采用人力下管与机械下管相结合的方式，另外一种经常采用的方法是用专用的下管器具直接用钻机下管。为了使热交换器具有更好的传热性，常选用特殊物质制成的专用灌注材料（专用配方回 填料）进行注浆。为防止泄漏的发生， 需要减少连接管件，因此U型管换热器应尽量采用成卷供应的管材， 以利用单根管制作成一个埋管单元，.钻孔完毕后孔洞内有大量积水， 由于水的浮力影响， 将对放管造成一定的困难，；而且由 于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度 为此，每钻完一孔，应及时把U型 管放入并采取防止上浮的固定措施。三、

20、地下水系统的方案设计一、地下水系统设计原则如果有足够的地下水量、水质较好，有开采手段，当地规定又允许，就可考虑应用此系统， 下面介绍一些基本原则：1）水井流量的要求由计算出来的最大得热量和最大释热量确定；2）地下水系统应使用板式热交换器进行水井水和建筑物循环水热交换；3）如果选择一个带有板式热交换器的闭式地下水系统，建筑物的高度就不必考虑；4）在寒冷地区，地下水系统的井水侧管道应保温，系统侧的循环水路要求防冻；二、管井的设计步骤一般情况下、管井设计大致可循下列步骤进行：1、搜集设计资料和现场勘察设计资料是设计的基础与依据，正确可靠的资料特别是水文地质资料是保证地下水系统设计 质量的先决条件2、

21、初步确定管井的型式、构造及取水设备型式：根据含水层的埋藏条件、厚度、岩性、水力状况及施工条件。同时根据地下水位、流向、补给条件和地形地物情况，考虑并群布置方案。3、确定管井的出水量和水位下降值：按理论公式或经验公式4、根据上述计算成果进行管井构造设计，包括井口、井壁管、过滤器和沉淀管的设计三、管井的设计其他注意问题1. 井壁管和滤水管根据井深、水质、技术和经济条件等，选用钢管、铸铁管、钢筋混凝土 管、塑料管、混凝土管、无砂混凝土管等管材。金属井管用管箍丝扣连接或焊接；钢筋混凝 土管、塑料管用焊接；混凝土管与无砂混凝土管用粘接加绑表1各种管材适宜深度表管材类型钢管铸铁管钢筋混凝塑料管混凝土管无砂

22、混凝土管土管适宜深（m） 400200400150200 150 100 1002. 过滤器根据含水层岩性进行选择，过滤器设计应包括填砾过滤器和非填砾过滤器的设计。3. 过滤器安装位置的上下偏差不得超过300mm。采用填砾过滤器的管井，井管应位于井孔中心。下井管时要安装井管扶正器，其外径比井孔直径小3050mm。根据井深和井管类型确定扶正器的数量，一般间隔 320m安装一组，每井至少安装 2组。无砂混凝土管井与混 凝土管井，扶正器的数量应适当增加。4. 井管底部一般应座落在坚实的基础上，若下部孔段废弃不用时，必须用卵石或碎石填实。四、水井口装置的设计水井口装置是水井工程的重要部分。在设计时，主要考虑了以下事项： 设回流管。在自流回灌井中，供回水管分开使用； 设排污管。在井水回扬时，保证污水顺畅排放； 为防止气氛对回灌水造成污染，应阻止大量气氛混入回灌水中。蝶阀1,2为水源水回灌所设，水源水泵开启时，蝶阀1打开，蝶阀2关