地源热泵系统设计步骤与方法

  地源热泵系统的设计，包括两个大部分，即建筑物内空调系统的设计和地源热泵系统的地下部分设计。前者已有比较成熟的技术，而地下埋管的换热器、地表水系统的换热器以及地下水系统的钻井系统等方面的设计国内还不够规范。但两部分之间又相互关联，如建筑物的供冷、供热负荷，水源热泵的选型，进水温度（EWT），性能系数（COP）都与地下部分换热器的结构、性能有密切的关系。

 

  【一】基础资料

 

  地源热泵系统设计的基础资料除了与一般空调系统相同之外，还必须具备以下资料。

 

  ①项目实施区的范围、现有和规划中的建筑物、树木和其他地面设施、自然或人造地表水资源的类型和范围、现有水井及其腐蚀状况、附属建筑物和地下服务设施。

 

  ②有关的地质、水文地质和地表水基础资料。

 

  ③地下水系统试验井的基础资料。一般要求2700m2的建筑物布置一个试验井，较大的建筑物布置两个试验井，以了解地下水资源状况。

 

  ④垂直埋管系统试验孔的基础资料，为设计和安装垂直埋管系统提供依据。要求2700㎡以下面积的建筑物布置一个试验孔，较大面积的建筑物布置2个孔，孔径为DN50，孔深应大于计划埋管最深度17m。

 

  ⑤水平埋管系统试验坑的基础资料，为水平埋管系统设计提供依据，推荐10000㎡场地至少挖两条坑，深度应大于计划埋管深度1m以上。

 

  ⑧监测井所观测的地温和地下水温度、水位和水质的变化等方面的资料。

 

  【二】空调制冷和供热的负荷

 

  地源热泵系统的空调制冷和供热负荷的计算和一般的空调系统基本是一样的，但又有不同之处，应加以注意。使系统设计能更符合实际，以达到节约能源和投资的目的。

 

  ①计算分区负荷：应按不同区域计算空调负荷，然后选择不同的水源热泵机组，以便满足不同功能的要求。

 

  ②计算制冷和供热高峰负荷，作为埋管换热器或井水用量设计的依据：这两个高峰负荷根据建筑物功能的不同可能发生在不同的时间，一般制冷高峰负荷多在白天，供热高峰负荷多发生在夜间。

 

  ③平均负荷的计算结果直接影响工程的造价，考虑地下工程的永久性，建议采用负荷计算软件，以保证计算结果的可靠性。

 

  ④总耗能量的计算：美国现在采用三种计算方法一度日法(Degree days)、 Bin法和Hour by hour法。国内目前进行空调系统全年总耗能量计算还很少，计算方法也不够成熟。

 

  ⑤地下负荷的计算：夏季制冷排入地下的热负荷，它等于高峰总负荷×（1+1/COP)：冬季供热向地下取出的热负荷，即在夏季排入地下的供冷负荷，以及在冬季向地下取出的供热负荷，它等于是高峰总负荷×（1-1/COP），其中COP是机组制冷性能系数，其中COP是机组供热性能系数。

 

  【三】室内空调系统的设计

 

  目前国内已有不少有自主产权的水源热泵生产厂商，如富尔达、中科能、东宇等，但至今缺少统一的水源热泵标准，大多仍借鉴美国制冷学会的三个标准。

 

  根据各区的冷热负荷和工厂提供的资料就可以初步选定各种性能数据的水源热泵机组。一般地源热泵机组有整体式和分体式两种，整体式机组制冷剂充注量少，环路密封性好，减少了现场充注和连接不良而引起的制冷剂泄漏和运行不良问题。而且有吊顶式、立式等多种形式，很容易与建筑装修相配合。分体式仅适用于对安装有特殊要求的情况。

 

  地源热泵的室内空调系统与普通空调系统相似，可以选择风机盘管系统、全空气系统、地板采暖等多种方式，能满足用户多样化的需要。

 

  【四】埋管式地源热泵系统的设计

 

  埋管式地源热泵系统的设计主要就是埋管换热器的设计，它包括换热器的长度和布置方式的确定，以及环路循环泵的选择。

 

  1.埋管换热器的形式

 

  埋管换热器有垂直埋管和水平埋管两种形式，主要取决于场地大小、岩土类型及挖掘成本。水平埋管换热器有水平单管、水平双管、水平四管、水平六管以及新开发的水平螺旋状和扁平曲线状管等；垂直埋管换热器有单U形管、双U形管、小直径螺旋盘管、大直径的螺旋盘管、套管等，目前应用最为广泛的是单U形管。

 

  埋管换热器中流体的流动路线分为串联和并联。串联系统仅有一条流动路线，而并联系统流体具有两个或两个以上的循环路线。两种系统各有优缺点，但采用并联方式或混合(串联+并联)方式较多。

 

  2.埋管材料的选择

 

  目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材。这些材料可以弯曲或热熔形成不同的形状，并保证使用寿命50年以上。PVC管不能作为埋管换热器。

 

  3.埋管换热器直径和长度的确定

 

  埋管直径的选择应从两方面考虑:大管径可减小循环泵功耗，但埋管投资高，所需防冻液多；小管径能使管内流体处于紊流状态，流体与管内壁之间的换热效果好，但处理和安装的难度大。埋管换热器的管径一般采用20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。并联系统中的环路常用小直径管，集管用大直径管。

 

  埋管换热器的传热量与当地岩土的温度和热物性、埋管的形式、热泵运行时间等多种因素有关。因此换热器的长度不能只由室内瞬时负荷来确定。关于换热器长度的计算可查阅国内外一些地源热泵设计手册，还有一些这方面的专用软件可供选用。

 

  4.闭式环路循环泵的选择

 

  循环泵的选择包括泵的流量和压力两方面，使埋管换热器及热泵换热器具有较高的传热效率，而且消耗功率较低。

 

  环路的流量与热泵换热器的负荷及热泵进、出口介质温差有关。

 

  当热泵的负荷一定时，循环流量主要与热泵进、出口介质的温差及流体的比热容、密度有关。对于冷(热)负荷为1kW的热泵，当流量大于1.92m3/h时，热泵系统的效率不再提高，而泵的功率去口急剧增大。因此，冷(热)负荷为1kW的热泵建议环路流量为1.62-1.92m3/h。在制冷模式时，采用上限值；在供热模式时，流量应等于或小于制冷模式的流量。

 

  循环泵的扬程由环路的阻力损失来确定，而且环路阻力损失直接影响循环泵的耗功量。循环泵的耗功量主要由环路的流量所决定。当循环泵的效率和环路流量一定时，耗功量与循环介质的容重及环路的阻力系数有关。

 

  【五】地下水源热泵系统的设计

 

  地下水源热泵系统设计主要有以下几个步骤。

 

  1.收集资料

 

  试验井的水量和水质观测资料，以及有关的水文地质资料。

 

  2.地下水总需求量的计算

 

  冬季和夏季系统对地下水的需求量与水源热泵性能、地下水温度、建筑物内循环温度和冷热负荷以及热交换器的类型有关。

 

  3.确定地下水井的数量和位置

 

  根据试验井的试验结果，确定每口井的出水量。然后根据上述所计算的地下水总需求量确定井的数量，并布置井位。

 

  4.管道的布置

 

  根据井位布置和各井之间的管线及其与建筑物联结的总管线，就可选择管径和计算管道系统的压力降。

 

  5.换热器的选择

 

  对于间接供水系统，可根据地下水总需求量、建筑物内循环水量和地下水温度、建筑物内循环水温来选择换热器，常用的换热器为板式换热器。

 

  6.地下水源热泵系统中地下水回水的处理

 

  为避免地面沉降、保护环境和水源，回水的处理是十分重要的。一般可采用地表排放和地下回灌两种方式。采用地表排放方式时，附近必须有合适的地表水体(江、河、湖、塘)。但最理想的办法还是系统中设有专门的回灌井，并形成封闭的地下水循环系统。

 

  【六】地表水源热泵系统的设计

 

  地表水源热泵系统的设计主要是换热器的设计。目前国内应用开放式地表水源热泵系统比较多，其设计过程与地下水源热泵系统类似，具体设计方法可参考相关手册。而封闭式环路地表水源热泵系统，国内目前尚未采用。在地表水源热泵系统的设计中应注意以下几个问题。

 

  ①测定地表水体不同深度处温度变化是地表水源热泵设计的一项主要工作。

 

  ②对于封闭式环路，管道材料一般采用高密度聚乙烯管(HDPE)或铜管。管子宜绕成盘形。

 

  ③由于冬季地表水温较低，一般循环水中要用防冻液，常用的防冻液有氯化钙、丙烯乙二醇、酒精、甲醛等，也可参考有关文献资料。