地埋管地源热泵系统的设计及优化

地埋管地源热泵系统设计及优化

上海富田空调冷冻设备有限公司地源热泵事业部地埋管地源热泵系统是利用地下岩土（土壤、岩石等）作为热源或热汇，它是由地埋管换热系统与热泵机组构成。

土壤温度在地面15米以下温度接近当地全年平均气温，常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵是利用土壤“冬暖夏凉“的特性来制冷/供热的节能中央空调，和利用空气源制冷/供热相比较，效率大大提高，且不受环境温度影响。地埋管地源热泵系统2土壤温度随深度变化示意图月份01020304004080120160200240280320360地表2FT（0.6m)5FT(1.5m)12FT(3.6m)123456789101112天数3根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。水平埋管：优点：在软土地区造价低缺点：占地面积较广，不太适合中国地少人多的国情。

水平埋管4垂直埋管垂直埋管：（已成为工程应用中的主导形式）垂直埋管分为单U和双U两种埋管方式

优点：占地面积较小，工作性能稳定，缺点：造价相对较高5单U管双U管垂直埋管还分为单U和双U两种埋管方式6系统运行安全、稳定，不受环境影响不直接抽取地下热水，有效避免环境问题的产生和对地热资源的破坏能量夏存冬取，可循环利用节约一次能源，可节省大量煤、石油、天然气等高品位的一次能源各级政府的大力支持以及资金补贴地埋管地源热泵系统的优点7建筑能耗分析地埋管地源导热系数、温度钻孔区域、埋管形式系统性价比大型复合式地埋管地源热泵系统选择应用方法冷热负荷特点峰值冷热负荷，运行时间累计冷热负荷对供冷供热能力的影响系统投资与运行费用地埋管地源热泵份额辅助冷热源形式的确定是否考虑生活热水？加冷却塔？加锅炉？地质情况钻孔费用其他便于利用的能源地埋管地源换热器系统设计8地源热泵设计任务资料收集及现场踏勘制定地源测试方案建筑能耗动态模拟计算场地勘测孔施工岩土层结构堪查岩土体热响应测试试验成果分析和报告撰写使用专业软件进行地下换热系统设计和热平衡模拟地源热泵系统初步设计场地勘测孔施工与建筑、结构等各专业配合

地源热泵设计工作程序框图工程经验修正91、建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。

夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：夏季制冷地埋管排热量=冷负荷+地源热泵压缩机功率

[Q排=Q冷×（1+1/COP1）]

冬季制热地埋管吸热量=热负荷-地源热泵压缩机功率

[Q吸=Q热×（1-1/COP2）]

其中Q排——夏季向土壤排放的热量，kW

Q冷——夏季设计总冷负荷，kW

Q吸——冬季从土壤吸收的热量，kW

Q热——冬季设计总热负荷，kWCOP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数

COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数

一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。地埋管地源热泵系统设计的主要步骤

102、地下热交换器设计

2.1选择热交换器形式水平（卧式）或垂直（立式）单U型管或双U型管串联或并联同程或异程绝大部分系统采用垂直埋管、单U型管、并联、同程的地埋管换热系统形式。

2.2选择管材目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上。112.3埋管管长、钻孔数量、埋管面积计算在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为60～100W/m(井深)，或30～50W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右。

按夏季排热量：总换热管长度=夏季排热量/单位孔深排热量（上海地区约65W/m）按冬季吸热量：总换热管长度=冬季吸热量/单位孔深吸热量（上海地区约40W/m）钻孔数量=总换热管长度/钻孔深度

埋管面积=单孔占地面积×钻孔数量注：1、单位孔深换热量以热响应测试的测试值为准。

2、单孔占地面积与布孔方式及孔距有关，一般采用4m孔距菱形布孔。3、若埋管面积不够或冷热负荷无法平衡，地埋管可按冬季吸热量进行设计，夏季采用冷却塔辅助散热

122.4确定管径（1）管道越大，水泵输送功率越小，流速越小，流体换热时间越长；（2）管道越小，管道内保持紊流，流体与管道内壁之间的传热效果越好。U形埋管管径流速

20—40mm0.6—1m/s40—100mm1—1.5m/s100—200mm1.5—2m/s

地埋管换热器的环路压力损失宜控制在30~50KPa/100m，最大不超过50KPa/100m13矩形布孔菱形布孔地埋管系统设计：1、宜采用菱形布孔，以节约埋管面积14异程系统同程系统地埋管系统设计：1、宜采用同程系统设计153、系统压力不得高于地埋管承压（管道一般采用PE管）

4、要考虑地埋管系统的检修（预留孔，或预留排查操作空间）

地埋管系统设计：前期设计都是建立在估算的基础上，需要根据热响应测试结果进行优化16

地源热泵混合系统是在常规的地源热泵系统（地埋管换热器、热泵主机、末端系统）以外增加辅助的散热/加热装置解决全年冷热负荷不平衡的问题解决设置地