地源热泵系统设计及工程指导

地源热泵系统设计及工程指导第1页，共57页，2023年，2月20日，星期一目录第一节概述第二节地下换热系统设计第三节热泵机房及末端系统设计第四节工程实例第2页，共57页，2023年，2月20日，星期一第一节概述本文所指的地源热泵系统包含浅层地下水源热泵系统和地埋管式地源热泵系统；本类系统主要由三部分组成：1、水井、地埋管等地下换热系统安全可靠性、初期投资2、热泵机房系统满足负荷需求节能性3、室内末端系统室内使用效果第3页，共57页，2023年，2月20日，星期一末端设备末端设备冷凝器蒸发器膨胀水箱循环泵制冷剂液体膨胀阀压缩机制冷剂气体地表室外水井、换热孔t=45~50℃t=50~55℃t=10~15℃t=5~7℃热泵机房系统用户（末端）系统室外换热系统地源热泵系统组成第4页，共57页，2023年，2月20日，星期一第二节地下换热系统设计一、浅层地下水源热泵系统1、概述形式：同井抽灌、异井抽灌目前的项目多采用异井抽灌第5页，共57页，2023年，2月20日，星期一适用范围：地下水文地质条件比较好区域的项目设计时应遵循的原则：地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计。必须采取可靠的回灌措施，使抽取的地下水能够全部回灌，且不将受污染的水与未受污染的水混采和混灌。地下水的持续出水量应满足水源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。第6页，共57页，2023年，2月20日，星期一(1)收集地质、水文地质资料首先应收集项目地的地质、水文地质资料，结合项目负荷情况以及场地条件，初步判定是否能采用该系统。规模较大、没有水井资料的项目，在设计前应钻试验水井，评价单井的出水能力和回灌能力。2、设计程序及思路第7页，共57页，2023年，2月20日，星期一地下换热器的负荷与建筑物的供热、制冷及供生活热水的设计负荷有关，其换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式如下：最大放热量Q1=[建筑冷负荷×(1+1/EER)](1)最大吸热量Q2=[建筑热负荷×(1-1/COP)](2)（注：COP为机组制热性能系数，EER为热泵机组制冷性能系数，机组COP值与工况有关，在计算时应考虑地下水温度和末端形式。）得出最大吸热量与最大放热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下所需地下水量，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，可采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。(2)计算地下换热器的负荷第8页，共57页，2023年，2月20日，星期一(3)水量的确定

根据供暖制冷工况下，水环路的最大放热量和最大吸热量计算。初步估算流量时的可参照如下公式进行：

a、夏季制冷工况下：q1=3600Q1/ρcp(t2-t1)(3)式中：q1为夏季制冷时所需地下水量(m3/h)；Q1为夏季设计工况时换热器最大换热量(kw)，据公式(1)求得；ρ为水的密度(kg/m3)，可取1000kg/m3；cp为水的定压比热容，可取4.18kJ/(kg·℃)；t1为进入机组换热器的地下水温度(℃)；t2为出换热器的地下水温度(℃)。

代入值公式简化为：

q1=Q1/[1.163(t2-t1)]

第9页，共57页，2023年，2月20日，星期一例题某建筑夏季总冷负荷500Kw，机组EER为5.0，根据（1）式计算Q1＝500（1+1/5）＝600(Kw)最大需水量计算为(温差为11℃)：q1＝600/（1.163×11）＝46.9(m3/h)该建筑物热泵系统夏季需地下水最大抽水量为46.9m3/h。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期一b、冬季供暖工况下：

q2=3600Q2/ρcp(t1-t2)(4)式中：q2为采暖时所需地下水量(m3/h)；Q2为冬季设计工况时需要提取的热量(kw)，据公式(2)求得；ρ为水的密度(kg/m3)，可取1000kg/m3；cp为水的定压比热容，可取4.19kJ/(kg·℃)；t1为进入机组换热器的地下水温度(℃)；t2为出换热器的地下水温度(℃)。

代入值公式简化为：q2=Q2/[1.163(t1-t2)]第11页，共57页，2023年，2月20日，星期一例题：某建筑物冬季热负荷500Kw，机组COP值4.0，根据（2）式计算Q2＝500（1-1/4.0）＝375(Kw)最大需水量计算为(计算温差为7℃)：q2＝375/（1.163×7）＝46.1(m3/h)该建筑物热泵系统冬季需要地下水最大循环量为46.1m3/h。第12页，共57页，2023年，2月20日，星期一由公式(3)、(4)计算地下水流量，取较大值46.9m3/h作为所需要的地下水流量。

第13页，共57页，2023年，2月20日，星期一(4)井深的选择抽灌水井的深度主要由项目所在地的水文地质条件、取水层位决定；水井的深度一般在100m左右，否则会导钻打井成本的升高。如果地下水位埋深较浅，浅部有较好的含水层，如单层厚度大于5m的粗砂以上地层，也可以减少井深只取上部含水层的水，井深可在50~60m之间。第14页，共57页，2023年，2月20日，星期一(5)井径和井管井的直径可以为500~800mm，井管直径一般为300~500mm，一开到底。井管可选焊接管或卷焊管，也可选铸铁管，不宜用水泥管，因为其使用寿命短。滤水管可用打孔外缠丝钢管或桥式滤水管。第15页，共57页，2023年，2月20日，星期一(6)滤水管的位置钻孔后应进行电阻率和自然电位或自然伽玛测井，根据测井曲线解释的含水层位置决定排管方案。一般取水井水位以下15或20m之内不应下滤水管，一是考虑动水位的下降，二是考虑留出潜水泵的长度和位置，避免抽空和进水口距滤水段太近（应大于2m）。井内其它滤水管的位置要视含水层的分布情况而定，一般选井内较厚的、颗粒较粗的2~3层为主力水层。粉细砂和较薄的水层（1~2m）不宜保留，以免造成出砂等后患。专用的回灌井应下有回扬泵，其它要求同抽水井。第16页，共57页，2023年，2月20日，星期一(7)井数的考虑要用较少的井完成需要的取水量，单井的出水能力以5m降深考虑。由系统所需最大水量除以单井出水量得到抽水井数。回灌井数量应根据各地水文地质条件确定，一般应等于或多于抽水井数量。根据水源热泵供暖的特点，可以采用适当提高利用温差的方法减少地下水的用量。提高利用温差的方法有多机组串联用水和单机混水法或板换隔离法。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期一(8)其它井间距：井间距应根据各地水文地质条件确定，一般不小于50米；水平连接管：目前的设计中一般都将每眼水井均设计为可抽灌互用型，在水平连接管的设计上一般都采用双管路系统，通过阀门的切换实现水井功能的转换。在项目实施时，每眼水井在完井后均应做抽水试验和回灌试验，结合试验数据对设计做进一步校正。第18页，共57页，2023年，2月20日，星期一第二节地下换热系统设计二、地埋管热泵系统1、概述形式：水平埋管、垂直埋管水平埋管因占地面积大、受气候影响大等缺点，目前应用较少。而竖直埋管因其占地少、工作性能稳定等优点，已成为工程应用中的主导形式。第19页，共57页，2023年，2月20日，星期一优点：（1）不依赖地下水，适应区比较广。（2）该系统不抽取地下水，不干扰地下水管理。（3）换热层位多，适用范围大，热储量较大。（4）系统运行维护工作少。缺点：（1）通过管壁传导换热，而管内外的温差一般不大，因此，需要较大的换热面积，从而造成系统初投资较大。（2）随着机组负荷的变化，管中水的温度不稳定，造成工况不稳定和热量损失，在极端天气条件下机组的性能系数较低。（3）与地下水换热系统比运行费用稍高。适用范围及优缺点（与浅层地下水源热泵相比）第20页，共57页，2023年，2月20日，星期一设计时应遵循的原则：地埋管换热系统应根据地质、水文地质勘察资料以及土壤的热物性参数进行设计。地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期一(1)工程勘查，地层热物性测试在系统的设计初期，应对工程场地进行工程地质勘查，包括岩土体热物性、岩土体温度随深度和季节的变化、地下水分布情况及动态特征、冻土层厚度的勘查。如项目所在地区有岩土体热物性参数时，可直接应用，否则应采用现场热响应法进行测试。2、设计程序及思路第22页，共57页，2023年，2月20日，星期一热响应测试原理：将地埋管换热器与加热/制冷设备（测试仪器）连接，通过向地下输入热量，模拟夏季制冷工况；通过向地下输入冷量，模拟冬季采暖工况。在向地下输入冷、热量的同时，不断记录进出管的温度和流量，来计算地层的换热能力（地层导热系数K、单位延米换热孔换热量w/m)热响应测试的方法：恒热流测试法可控工况测试法热（冷）响应测试车原理简图热响应测试第23页，共57页，2023年，2月20日，星期一(2)计算地下换热器的负荷负荷与建筑物的供热、制冷及供生活热水的设计负荷及系统运行所需要的能量负荷有关。换热器的换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式同(1)、(2)。地埋管换热器需要5~10℃的换热温差，冬季取热时管内液体的平均温度比地层温度低5～10℃，夏天可高10～20℃，以管内设计温度确定机组的COP值。计算得出最大吸热量与最大释热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下换热器埋管的长度，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，宜采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期一(3)地埋管换热器埋管形式的选择埋管形式可以分为如下几种：水平埋管垂直埋管单U型双U型(比单U提高15%的换热量)垂直埋管布孔形式等间距布孔（正方形布孔）梅花型布孔（等边三角形布孔）第25页，共57页，2023年，2月20日，星期一(4)埋管长度的确定根据计算的负荷、岩土层热物性参数、所选的地理管形式及热泵参数，通过软件模拟的方法，计算得出埋管总长度。目前实际工程中，常利用单位埋管深度的换热量来计算换热管的长度，一般垂直埋管的单位深度换热量为30～70W/m(利用温差为10～15℃)之间，放热大于吸热。该数据需要通过热响应测试获得。第26页，共57页，2023年，2月20日，星期一埋管长度可按如下公式计算：L=1000Qmax/ql(5)式中：L为埋管换热器总长(m)；ql为最大利用温差的每米换热功率(W/m)，一般由接近实际工况的现场换热试验取得；Qmax为夏季向埋管换热器排放的最大功率与冬季从埋管换热器吸收的最大功率中的较大值(KW)第27页，共57页，2023年，2月20日，星期一上述计算地埋管换热器管长的方法，适用于最大吸热量与最大放热量相差不大的工程，设计长度选两者中较大的。如两者相差较大，宜用较小值确定管道的长度，两者相差的负荷采用辅助设备的方式解决，如增加冷却塔或辅助热源。这样一方面减少工程量，降低初投资；另一方面也可减少因吸热与放热不平衡引起岩土体温度的持续变化的可能性。第28页，共57页，2023年，2月20日，星期一(5)孔深、孔径、孔数、孔间距的确定换热孔深度的确定：结合现场的地质条件与钻机的经济钻进深度，一般基岩地层钻进深度不超过120米，第四系地层一般不超过150米。结合现场可布设换热孔的面积，面积大则选择的余地大，面积小则选择的余地小。换热孔直径的确定：结合现场的地质条件，一般第四系地层，尤其是粘土含量大、缩径严重地层换热孔的直径会比较大；一般基岩地层换热孔的孔径相对较小。结合布管形式，一般双U型比单U型的孔径大。第四系地层一般在180~300mm之间，基岩地层一般在100-180之间。第29页，共57页，2023年，2月20日，星期一换热孔数量的确定：

N=L/H式中：N为钻井数(个)；L需要的换热孔的总长(m)；H为换热孔单孔深度(m)；换热孔间距的确定：场地条件：场地有限可适当减小间距。热干扰半径：地层导热性好，热传递快，单个换热孔的换热能力高，热扩散半径大，孔间距大；相反则小。施工成孔率：目前换热孔施工的钻机的控斜能力不强，换热孔很容易倾斜，当孔间距较小时，容易造成穿孔。换热孔深度大，间距可适当加大，相反则小。应综合考虑以上三方面因素，确定换热孔的间距，一般在3~7米之间。第30页，共57页，2023年，2月20日，星期一换热管选择换热管材料和规格：主要有PE80和PE100两种材料的管材，垂直管一般采用SDR11系列的管材，水平连接管一般采用SDR17系列的管材换热管直径：垂直埋管双U型一般采用D25与D32的PE管，单U型的一般采用D40的PE管；水平连接管的直径根据管内流量进行选择。孔深、孔间距、孔数、管材等要综合考虑，使其既能满足现场条件的要求，又能满足系统对换热孔冷、热量的需求。第31页，共57页，2023年，2月20日，星期一(6)确定流速加大流速可以增强换热，但过快的流速会增大管道沿程阻力损失，增大水泵的用电消耗。根据地埋管换热器的布置形式和采用的换热液特征，应使换热液处于紊流状态，流态形式主要通过雷诺数Re来进行判断：Re<2000为层流2000<Re<4000为从层流到紊流的过渡态Re>4000为紊流第32页，共57页，2023年，2月20日，星期一Re具体计算过程（1）确定通过管道的流量Qv(m3/h)、管子公称直径和液体特性；根据公称直径，确定管子的内径Di(m)。（2）计算管子的断面面积A(m2)。（3）计算流速υ(m/s)，υ=Qv/3600A。（4）计算液体的雷诺数Re，Re=ρυDi/μ一般，D32双U型管路流量取1～2m3/h，流速0.26～0.53m/s，雷诺数Re5195~10389第33页，共57页，2023年，2月20日，星期一(7)环路形式的选择各个换热孔之间有串联和并联两种连接方式串联方式：几个换热孔之间串联成一个流动通道。该种方式主要用于换热孔深度较浅，单孔换热量小，单孔进出口温差小的系统中，如桩基埋管。并联方式：钻孔间以并联形式连接，用于换热孔深度较深，单孔进出口温差不太小的系统，为常用方式。水平连接管的连接方式分为同程式和异程式系统。同程式系统：传热介质流经各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流量和换热量比较均匀。为了保持系统环路间的水力平衡，在实际工程中多采用同程式系统。第34页，共57页，2023年，2月20日，星期一(8)确定换热介质在低纬度南方地区，由于地下岩土体温度较高，因此多采用水作为换热介质。在中高纬度北方地区，地下岩土体的温度较低，冬季取热工况下，需要加入防冻液。可采用的有盐类溶液，如氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。但以乙二醇水溶液居多。采用防冻液可增大管内流体与土壤的传热温差，增强换热，减少换热孔数量，但会降低机组的效率，增大运行电费。应慎用。第35页，共57页，2023年，2月20日，星期一3、软件设计方法以上所讲的设计方法及思路是目前国内工程中常采用的方法。国外，尤其是在一些应用历史较长的国家，多采用专业软件进行设计，设计思路一般如下：第36页，共57页，2023年，2月20日，星期一第二节地下换热系统设计三、监测系统（有条件的项目）1、浅层地下水源热泵定期取水样，对水质进行监测；对抽水井、回灌井的抽灌水量和水位进行监测。2、埋管式地源热泵系统埋设温度传感器，对地温场进行长期监测第37页，共57页，2023年，2月20日，星期一第三节热泵机房及末端系统设计一、机房系统1、系统配置上单一系统对于冷热负荷差别不大，规模较小的系统复合式系统对于规模较大的系统，或冷热负荷相差较大，可能引起冷热不平衡而造成地温场持续升高或降低的项目。可采用的复合式系统一般有：锅炉冬季采暖调峰、冷水机组+冷却塔夏季制冷调峰、冰蓄冷夏季日间制冷调峰。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期一2、系统的可调控性系统的可调控性直接关系到系统的节能性热泵机组的台数：对于500KW以上的项目，最好选择2台或以上，在部分负荷运行时，可以达到节能，减少大马拉小车的现象水泵变频、或采用二级泵系统、或水泵与热泵机组联动等，可减少水泵的电耗。3、水源热泵系统注意除砂对机组的磨损对回灌井的堵塞第39页，共57页，2023年，2月20日，星期一二、末端系统1、系统供水温度冬季供水温度一般在50℃左右；夏季供水温度一般在7℃左右2、适合的末端形式地板辐射采暖、风机盘管、顶棚辐射等方式，不适合采用散热器采暖第40页，共57页，2023年，2月20日，星期一第四节工程实例介绍一、中国地质大学科研综合楼水源热泵项目单一型水源热泵系统二、天津国际贸易与航运服务区2#写字楼地源热泵项目复合式地源热泵系统第41页，共57页，2023年，2月20日，星期一一、中国地质大学科研综合楼水源热泵项目1、概述本工程位于中国地质大学（北京）校园北部，紧邻城府路，使用性质为科研楼，该楼需要冬季供暖、夏季制冷。工程总建筑面积28974.50㎡，其中：地下3层，建筑面积8942.10㎡,地上12层，建筑面积20032.80㎡。夏季空调冷负荷：2384kw；冬季供暖负荷：1849kw。初步了解该区第四系水文地质条件较好，含水层地层颗粒较粗，适合采用水源热泵系统。第42页，共57页，2023年，2月20日，星期一2、换热水井系统设计需要提取和释放的热量夏季需要向地下水释放的热量Q1=2384*(1+1/5.5)=2817KW冬季需要从地下水提取的热量Q2=1849*(1-1/4.5)=1438KW需要的地下水量夏季需要的地下水量q1=Q1/(1.163*（26-15）)=220m3/h冬季需要的地下水量q2=Q2/(1.163*(15-8))=177m3/h两者取较大的，因此最大需水量为220m3/h第43页，共57页，2023年，2月20日，星期一井深、单井出水量、井数设计根据区域水文地质条件结合已成水井情况，该区第四系含水层岩性为砂砾石，砾石等，主要分布在三个层段，厚度较大，赋水条件较好，水位埋深约30m（以地面计），水温约15℃。该种地层的出水、回灌能力均较强。根据以上资料，本项目设计水井深度为100米，水井直径800mm，井管直径426mm，单井出水量设计为110m3/h。本项目最大需水量为220m3/h，因此钻2眼抽水井，同时抽水井与回灌井按1:1设计，即钻2眼回灌井。最小井间距为50米。第44页，共57页，2023年，2月20日，星期一井身结构根据测井及录井资料，滤水管的位置为47.4~56.5米的卵石层，63.4~75.8米的中粗砂、砾砂层，采用桥式滤水管。其余采用卷焊管。47.4米以上用粘土封井，47.4米以下下入2~4mm的滤料。井身结构如右图：第45页，共57页，2023年，2月20日，星期一成井后的抽水、回灌试验静水位为31.8米，水温17.8℃抽水试验:两个落程的抽水试验，稳定时间24小时，抽水试验结果如下：Q1=115m3/h,S1=4.2mQ2=80m3/h,S2=1.9m回灌试验：一个升程的回灌试验，稳定时间24小时，回灌试验结果如下：Q=115m3/h,S=7.6m第46页，共57页，2023年，2月20日，星期一其它水平管连接：采用双管路系统，通过阀门的切换，每眼井既可以作为抽水井，又可作为回灌井；在每眼水井中均安装潜水泵，作为回灌时的水井内的水泵可以作为回扬用（在回灌不畅时，进行反抽）。潜水泵采用变频控制，通过回灌水的温度来进行控制。第47页，共57页，2023年，2月20日，星期一第48页，共57页，2023年，2月20日，星期一二、天津国际贸易与航运服务区2#写字楼地源热泵项目1、概述本工程位于天津保税区，总建筑面积为23378.76平方米，其中地上建筑面积为21714.12平方米，地下建筑面积为1664.64平方米。地上13层，地下1层。夏季空调冷负荷：2525kw；冬季供暖负荷：1713kw。该区第四系厚度较大，在400米以浅，地层主要以粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、细砂、粉细砂为主。地下水条件差，但易钻孔，比较适合采用垂直埋管式地源热泵系统。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期一2、地埋管换热系统设计土壤热物性测试钻一眼120米深的换热孔，孔内安装双U型PE100换热管，管径为D32。采用恒热流方式进行测试，模拟夏季工况，通过夏季工况获得的结果在计算冬季工况下的换热量，测试时间为63小时，测试仪器加热功率7KW。测得地层原始温度15.1℃；测得夏季在测试工况下地层的换热量：58w/m(28/33℃)。推算地层的导热系数为：1.64W/(m℃)推算夏季设计工况下地层的换热量：65w/m(30/35℃)推算冬季设计工况下地层的换热量：40w/m(8/4℃)第50页，共57页，2023年，2月20日，星期一第51页，共57页，2023年，2月20日，星期一需要提取和释放的热量夏季需要向地埋管中释放的热量Q1=2525*(1+1/5)=3030KW冬季需要从地埋管中提取的热量Q2=1713*(1-1/4)=1285KW