地源熱泵系統(tǒng)設計李向東總目錄1、幾個概念2、地源熱泵系統(tǒng)特點及應用3、地源熱泵系統(tǒng)方案設計4、地埋管換熱器設計5、地源熱泵系統(tǒng)機房設計6、工程實例幾個概念1、熱泵2、地源熱泵與水源熱泵3、水源熱泵機組4、地埋管換熱器5、可再生能源6、工作原理熱泵熱泵應用冷凝器排

出的熱量進行供熱的制冷系統(tǒng)。熱泵和制冷機的工作原理和過程是完全相同的。如同電冰箱、分體空調(diào)（對應概念‐水泵）。熱泵分類z

從熱量來源：空氣源熱泵和水源熱泵。z

從與熱泵換熱器中制冷劑進行熱量交換的介質(zhì)：?

空氣‐水熱泵（風冷熱泵冷熱水機組）?

空氣‐空氣熱泵（管道機、屋頂空調(diào)器）?

水‐水熱泵（常見的水源熱泵機組）?

水‐空氣熱泵（水環(huán)熱泵機組）地源熱泵與水源熱泵國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366‐2005中把地埋管地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地埋管系統(tǒng)）、地下水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地下水系統(tǒng)）和地表水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地表水系統(tǒng)）統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。z

地埋管地源熱泵：也稱為土壤耦合熱泵系統(tǒng)

，是狹義上的地源熱泵系統(tǒng)，工程中通常稱為地源熱泵。除非特指明，本節(jié)所述地源熱泵均指這種形式。z

地下水熱泵系統(tǒng)

：井水源熱泵系統(tǒng)；z

地表水熱泵系統(tǒng)

：江水源、湖水源、海水源等；還有兩種水源熱泵的形式：z

污水源熱泵：利用市政污水。z水環(huán)熱泵：來自冷卻塔的封閉循環(huán)水。三種地源熱泵形式應用對比水源熱泵機組z

水源熱泵機組（WSHP）以水或添加防凍劑的水溶液為低溫熱源的熱泵。z

類型：????????按輸送冷熱量的介質(zhì)：水/

水式、水/空氣式等；按壓縮機形式：渦旋式、螺桿式、離心式等；按“兩器”換熱方式：干式、滿液式等；按“兩器”裝換方式：外轉(zhuǎn)換（水側(cè)轉(zhuǎn)換）、內(nèi)轉(zhuǎn)換（制冷劑側(cè)轉(zhuǎn)換）；按制熱工況下出水溫度：中溫型（45℃）、高溫型（65℃）按冷媒：R22、R134a、R407C按熱回收：無熱回收、全熱回收、部分熱回收按制冰功能：帶蓄冰、不帶蓄冰地埋管換熱器傳熱介質(zhì)通過豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進行熱交換的地熱能交換系統(tǒng)，又稱土壤熱交換系統(tǒng)、地熱換熱器。國內(nèi)工程以豎直埋管形式為主，有單U型與雙U型之分?？稍偕茉聪鄬τ诳赡芨F盡的化石能源來說，在自然界中可以循環(huán)再生的能源，主要包括太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等。地源熱泵利用的是地球表面淺層地熱資源（小于200米）作為冷熱源，進行能量的轉(zhuǎn)換和提取。地表淺層的地熱資源是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能（并且主要是太陽能）、地熱能而蘊藏的低位熱能，因此屬于可再生能源范疇。地源熱泵是把巖土體作為蓄存能量的載體，夏蓄冬取，全年平衡，從這個意義上，地源熱泵是屬于真正的“可再生系統(tǒng)”

。過分強調(diào)淺層地熱的概念不僅會引起社會一般人士的誤解，還會造成設計上的誤區(qū)。地源熱泵工作原理（夏季）地源熱泵工作原理（冬季）地源熱泵的特點及應用z

優(yōu)點z

缺點z

應用條件z

應用范圍z

應用中常遇到的問題優(yōu)點z

節(jié)能性能系數(shù)較高，節(jié)省運行費用25～50％；z

環(huán)保廢除鍋爐房，不向室外排熱，不用地下水；z

可持續(xù)發(fā)展熱量冬取夏蓄，利用可再生能源；z

冷暖兼用均衡用電負荷，節(jié)省建筑空間；z

美觀無室外機，不影響建筑外觀。缺點z

初投資較高

：系統(tǒng)中增加地埋管換熱器，造

價高，受地質(zhì)條件影響；z

占用土地：地埋管換熱器占用大量土地面積，在建筑容積率高的場合受限；z

冷熱負荷的平衡：冷熱負荷不平衡產(chǎn)生地下的熱量積累。應用條件z

有點地

——有地埋管z

有點

——有錢埋管z

有點冷熱負荷——用好埋管z

有眼光

——

因工程制宜，因地制宜，合理利用（山東建筑大學刁乃仁教授總結(jié)）應用范圍適量地下空間、一定的資金投入、冬冷夏熱地區(qū)，中、小型空調(diào)工程。存有下列問題之一者優(yōu)先考慮：不具備集中供熱；不便于設置冷卻塔；不便于設置分體空調(diào)的室外機或多聯(lián)機的外機；節(jié)能環(huán)保要

求高等……，如遠離市區(qū)的別墅、加油站，古建筑等。任何一種空調(diào)方式，都有其應用條件和使用范圍，不可能也不應該包打天下應用中常遇到的問題z

全年冷熱負荷不平衡對換熱的影響全年冷、熱負荷平衡失調(diào)，將導致地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管

換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運

行效率。z

應對措施——輔助冷熱源冷負荷大于熱負荷：加冷卻塔——混合系統(tǒng)熱負荷大于冷負荷：加輔助熱源地源熱泵系統(tǒng)方案設計z

了解外部條件z

分析負荷特點z

生活熱水負荷的處理z

方案技術(shù)經(jīng)濟比較z

負荷平衡的初步估算z

單一地埋管系統(tǒng)與復合地源熱泵系統(tǒng)z

集中地埋管循環(huán)水泵與分散循環(huán)水泵z

地源熱泵空調(diào)與地源熱泵供熱外部條件z

建設單位的資金情況z

冷熱源現(xiàn)狀z

能源結(jié)構(gòu)、能源價格z

可用于地埋管的地面面積z

可利用的低品位能源情況z

建設項目特點負荷特點：商業(yè)、辦公、賓館、住宅等使用情況建設周期等負荷特點z

商業(yè)瞬時冷負荷高，且夏季冷負荷遠大于冬季熱負荷，夏季需求大于冬季；有利于地源熱泵的采用、一般需設輔助排熱z

住宅瞬時冷、熱負荷值均較低，夏季末端同時使用系數(shù)較低，屬于間歇供冷，用戶有迅速對房間降溫的需求，故末端冷負荷取值較大，但同時使用系數(shù)較低，對冷源的需求并不大。冬季熱負荷值較低（如山東地區(qū)≯32W/㎡），北方地區(qū)要求連續(xù)供暖，因此累計負荷冬季＞夏季，冬季需求大于夏季；對地源熱泵系統(tǒng)應用不利。適合于別墅、多層等建筑密度較低的建筑小區(qū)，以高層為主的建筑需進行仔細的分析計算。必要時需設輔助加熱。負荷特點z

辦公受建筑圍護結(jié)構(gòu)影響較大、地區(qū)性負荷差異明顯；白天使用、夜間關閉，負荷間歇性明顯；對于華北地區(qū)，夏季負荷大但運行時間短，冬季負荷稍低，但運行時間長，全年負荷較易實現(xiàn)平衡；是一種較為適合地源熱泵的系統(tǒng)形式。z

賓館酒店負荷較平均、冬夏季負荷差別不大、空調(diào)運行時間長，有生活熱水需求，且對負荷的保證性要求高。全年熱負荷大于冷負荷，一般需另設熱源，可把地源熱泵作為基本負荷考慮，設置常規(guī)冷源、鍋爐作為調(diào)峰負荷。關于一機多用利用一套地源熱泵機組供冷、供熱、兼供生活熱水，實現(xiàn)一機多用。z優(yōu)點：初投資??；機房面積小；夏季利用部分空調(diào)余熱z

缺點：冬季采暖負荷與生活用熱水負荷重疊，增大機器規(guī)格。

過渡季易出現(xiàn)大馬拉小車，機組效率低多工況運行，切換頻繁，效率低，操作維修量大z

——多數(shù)情況下單設熱泵熱水機組更合理些經(jīng)濟技術(shù)分析z

1.每單位負荷（空調(diào)面積）需埋管多長？土層熱物性、負荷大小、運行方式、埋管布置形式等z

2.單位空調(diào)面積埋管需要多大的場地？孔深、孔間距、布置形式、負荷大小等z

3.地源空調(diào)單位面積增加的費用有多少？鉆孔的費用占了地熱換熱器增加費用的主要部分地熱換熱器設計是否合理決定著

地源熱泵經(jīng)濟性和運行的可靠性幾種空調(diào)冷熱源方案的經(jīng)濟技術(shù)比較各空調(diào)方式初投資、運行費及投資回收比較說明：1、冬、夏季運行天數(shù)為

140天和90天計,每天運行

10小時，負荷系數(shù)取

0.7

。2、

機房和冷卻塔運行費用均指水泵等用電設備運行費用，表中為概算值。負荷平衡的初步估算z

基于設計負荷（瞬時負荷）下的手工簡算：z

計算設計負荷下的排熱量、吸熱量，可用于對輔助熱源或輔助冷源的定性判斷。某工程地源熱泵實際打孔性能計算項目設計熱/冷負荷單位KWW/mm冬季10000.037.0夏季12000.050.0單位孔深吸/排熱量設計孔深100.0鉆孔數(shù)量眼1428.0142800.05283.63.5埋管長度m冬季吸熱/夏季排熱量機組COPKW7140.04.5冬季制熱/夏季制冷量冬季輔熱/夏季輔冷KWKW6793.23206.85553.36446.7負荷平衡的初步估算z

基于權(quán)重系數(shù)下的負荷平衡手工簡算：夏季排熱量參考《公共建筑節(jié)能設計標準》中IPLV計算公式對計算負荷下對應的排熱量進行加權(quán)；冬季吸熱量的權(quán)重計算依據(jù)：對于給定的建筑，冬季負荷與室內(nèi)外溫差成正比，而不同地區(qū)不同的室外溫度的分布可以通過標準年氣象參數(shù)獲得。某工程負荷平衡計算冬季吸熱量KWh2499552夏季排熱量KWh負荷率10.750.50.25合計權(quán)重0.150.450.30.1權(quán)重0.0230.4150.4610.1011388497.652573863893421.6426502.8996580856239922499552416592110396881說明采暖期4個月，連續(xù)采暖供冷期4個月，每天供冷時間18h復合地源熱泵系統(tǒng)當冬夏季負荷不平衡率超過20%時，就應該考慮采取輔助加熱或輔助散熱措施。復合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)有如下形式：1)

冷卻塔‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);2)

太陽能‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);3)

冰蓄冷或水蓄能‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);4）鍋爐或熱網(wǎng)‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);5）常規(guī)水冷機組‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);6）空氣源熱泵‐‐地源熱泵復合系統(tǒng);7）多種冷熱源‐‐地源熱泵復合系統(tǒng)。集中與分散z

集中地源熱泵機組：空調(diào)系統(tǒng)為常規(guī)的水系統(tǒng)z

分散地源熱泵機組：戶式地源熱泵機組，可為水‐水熱泵，也可為水‐空氣熱泵。z

集中地源側(cè)循環(huán)泵：埋管區(qū)域集中z

分散地源側(cè)循環(huán)泵：埋管區(qū)域分散，且距離懸殊地埋管換熱器的設計z設計流程z垂直式地埋管換熱器的設計z地埋管鉆孔長度計算z地埋管換熱器的布置地埋管換熱器的設計流程z收集項目地相關地質(zhì)資料和建筑物資料z根據(jù)建筑物負荷和地質(zhì)狀況確定室外換熱系統(tǒng)換熱形式z根據(jù)建筑物負荷情況和計算全系統(tǒng)最大釋熱量和最大吸熱量?夏季最大釋熱量=∑

［空調(diào)系統(tǒng)冷負荷×

（1+1/EER）+

∑

輸送過程中得熱量+∑

水泵釋放熱量］?冬季最大吸熱量=∑

［空調(diào)系統(tǒng)熱負荷×

（1‐1/COP）+

∑

輸送過程中失熱量‐∑

水泵釋放熱量］z

根據(jù)全年冷熱負荷平衡情況確定是否增加輔助散熱或加熱設備z

進行工程地質(zhì)勘查，測定土壤熱物性并根據(jù)測試結(jié)果進行地埋管長度計算z

通過模擬運行軟件進行20年周期的模擬運算，觀察在全周期內(nèi)巖土熱量是否平衡，溫度是否有較大變化。如出入較大需要重新計算地埋管長度負荷平衡計算有條件時應采用能耗模擬軟件進行全年8760h的動態(tài)負荷計算。相關軟件有DOE‐2、Energy+、DEST等。地源熱泵專用模擬軟件（如山東建筑大學“地熱之星”）要求必須采用動態(tài)負荷輸入。垂直式地埋管換熱器的設計z詳細了解待埋管區(qū)域的各種地下管線情況以及未來承載道路情況z

根據(jù)場地情況、地埋管長度、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔成本、管材成本等多因素綜合考慮確定埋管方式z

考慮環(huán)路集管對回水溫度的影響z

水平環(huán)路集管管徑的埋深應在凍土層以下0.6m，距地面距離一般為1.2‐1.5m以上z

水平環(huán)路集管選擇在經(jīng)濟可行的前提下以大口徑為原則，以減少循環(huán)泵功率z

地埋管內(nèi)循環(huán)液流量建議為每冷噸冷量0.15‐0.19L/S（溫差5℃左右）z當建筑物過高，形成的靜水壓力大于地埋管公稱壓力時，地上系統(tǒng)和地下系統(tǒng)應用換熱器隔離影響地埋管換熱器設計的主要因素1、土壤的初始溫度(℃)2、土壤的比熱(Mj/m3.k)

(w/m2.k)3、土壤的導熱系數(shù)(w/m.k)

）4

、大地的熱流通量(w/㎡)5、地下?lián)Q熱器的形式（單U、雙U)6、地下?lián)Q熱器的間距（m）7、地下?lián)Q熱器的深度（m）8、地下?lián)Q熱器的排布方式9、地下?lián)Q熱器的打孔直徑（m）10、流體與管壁的對流換熱系數(shù)11、地下?lián)Q熱器埋管管壁換熱熱阻(m.k/w）12、地下?lián)Q熱器的管間間距（m）13、回填材料熱阻(m.k/w）14、地下?lián)Q熱器系統(tǒng)承擔的累積總負荷(MWh)15、地下?lián)Q熱器的峰值負荷（kw）16、峰值負荷連續(xù)運行的小時數(shù)地埋管鉆孔長度計算z

根據(jù)已經(jīng)確定選型的地源熱泵機組的實際運行工況確定循環(huán)液進出口設計溫度z

初步設計地埋管鉆孔長度和布置方案z

根據(jù)測定的巖土熱物性參數(shù)計算地埋管孔內(nèi)熱阻z

計算運行周期內(nèi)孔壁的平均溫度和極值溫度z

計算循環(huán)液的進出口溫度、極值溫度或平均溫度z

根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整鉆孔長度等設計參數(shù)，使得循環(huán)液的進出口溫度滿足設計要求地埋管換熱器的布置1.

深度,一般為40m~120m2.

占地面積,由孔數(shù)和孔距決定3.

孔的直徑,一般為100mm~150mm4.

孔的距離一般為4m~6m5.

孔內(nèi)的管束:

單U,

雙U6.

U形管的材質(zhì)直徑,一般為De25（雙U）或De32（單U）HDPE管地埋管換熱器的連接形式地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地埋管換熱器的布置實例地源熱泵機房設計z

空調(diào)負荷計算z

機組選擇z

循環(huán)泵選擇z

水處理z

定壓膨脹空調(diào)負荷計算zz空調(diào)區(qū)域設計冷負荷（瞬時負荷最大值）分別計算圍護結(jié)構(gòu)、人體、照明、設備、滲風等各項負荷的逐時值，按各計算時刻累加，得出空調(diào)區(qū)總冷負荷逐時值的時間序列，之后找出序列中的最大值，即作為該空調(diào)區(qū)的計算冷負荷。采用通用軟件（天正、浩辰、鴻業(yè)等）計算；不漏項；圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)可先按節(jié)能標準中的傳熱系數(shù)限值；人體、照明、設備等發(fā)熱量數(shù)據(jù)也可按節(jié)能標準附錄中的參考數(shù)據(jù)。空調(diào)建筑設計冷負荷：根據(jù)空調(diào)區(qū)的同時使用情況、空調(diào)系統(tǒng)類型及控制方式等各種情況的不同采用不同的算法：當空調(diào)系統(tǒng)本身具有適應各空氣調(diào)節(jié)區(qū)冷負荷變化的調(diào)節(jié)能力時，如變風量集中式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應取同時使用的各空氣調(diào)節(jié)區(qū)逐時冷負荷的綜合最大值，即從各空氣調(diào)節(jié)區(qū)逐時冷負荷相加之后得出的數(shù)列中找出的最大值；當空調(diào)系統(tǒng)本身不能適應各空氣調(diào)節(jié)區(qū)冷負荷的變化，如末端設備沒有設置完善的室溫控制裝置時，應取同時使用的各空氣調(diào)節(jié)區(qū)夏季冷負荷的累計值，即找出各空氣調(diào)節(jié)區(qū)逐時冷負荷的最大值并將它們相加在一起，而不考慮它們是否同時發(fā)生。z空調(diào)系統(tǒng)的計算冷負荷集中空調(diào)系統(tǒng)的計算冷負荷，應根據(jù)所服務的空調(diào)建筑中各分區(qū)的同時使用情況、空調(diào)系統(tǒng)類型及控制方式等各種情況的不同，綜合考慮下列各分項負荷，經(jīng)過焓濕圖分析和計算確定。（1）系統(tǒng)所服務的空調(diào)建筑的計算冷負荷；（2）該空調(diào)建筑的新風計算冷負荷；新風冷負荷應按最小新風量標準和夏季室外空調(diào)計算干、濕球溫度確定。（3）風系統(tǒng)由于風機、風管產(chǎn)生溫升以及系統(tǒng)漏風等引起的附加冷負荷；（4）水系統(tǒng)由于水泵、水管、水箱產(chǎn)生溫升以及系統(tǒng)補水引起的附加冷負荷；（5）當空氣處理過程產(chǎn)生冷、熱抵消現(xiàn)象時，尚應考慮由此引起的附加冷負荷。z空調(diào)冷源的計算冷負荷空調(diào)冷源的計算冷負荷，應為所服務的各空調(diào)系統(tǒng)夏季冷負荷乘以同時使用系數(shù)，以及冷水通過水泵、管道、水箱等部件的溫升引起的附加冷負荷之和。地源熱泵機組選擇z

確定機組形式根據(jù)末端系統(tǒng)形式結(jié)合產(chǎn)品選擇合適的機組形式常規(guī)空調(diào)（FCU）：中溫型機組散熱器系統(tǒng)：高溫型機組干式末端：高溫水（冷水15℃~17℃出水）z

根據(jù)計算負荷初選機組額定冷熱量規(guī)格：小型項目：按冷、熱負荷的大值；中型項目：按前述的負荷平衡結(jié)果初選機組及輔助熱源或輔助排熱設備；大型項目：綜合能源結(jié)構(gòu)、埋管面積等因素采用復合能源z

根據(jù)土壤熱響應試驗的報告初選地源側(cè)循環(huán)液溫度z

查樣本變工況性能表，修正機組實際供冷量、供熱量、功率等數(shù)據(jù)地源側(cè)循環(huán)水供回水溫度z

選擇合適的地源側(cè)循環(huán)水供回水溫度是選擇地源熱泵機組的關鍵。地埋管換熱器是換熱器，管外側(cè)是巖土，初始溫度基本等同于當?shù)啬昶骄鶜鉁兀ㄈ缟綎|16℃左右），隨空調(diào)系統(tǒng)的運行，巖土溫度是變化的。管內(nèi)側(cè)是循環(huán)液，循環(huán)液的溫度是人為選定的，對制冷來說，循環(huán)液溫度高，則管內(nèi)外溫差大，單位管長的換熱量大，打孔埋管的需求低，初投資較低，但制冷機的效率較低，運行費高

。由于夏季壓縮熱的存在，夏季排熱量較大，且適當提高冷凝器水溫對機組制冷量影響不大，故一般夏季取較高的循環(huán)液溫度，常采用30/35℃或32/37℃設計工況。冬季在不加防凍液的情況下，循環(huán)液溫度不得低于4℃，故一般冬季熱泵機組循環(huán)液出水溫度控制在5℃?！端礋岜脵C組》GB/T19409規(guī)定的水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍系統(tǒng)形式正常工作的冷（熱）源溫度范圍水環(huán)熱泵系統(tǒng)地下水熱泵系統(tǒng)地埋管熱泵系統(tǒng)20～40℃（制冷）15～30℃（制熱）10～25℃（制熱）－5～25℃（制熱）10～25℃（制冷）10～40℃（制冷）空調(diào)側(cè)循環(huán)泵選擇z

與常規(guī)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于冬夏季工況不同，常規(guī)系統(tǒng)夏季7/12℃，冬季60/50℃。地源熱泵系統(tǒng)夏季7/12℃，冬季45/40℃地源側(cè)循環(huán)泵選擇地源側(cè)循環(huán)泵選擇?1.25

1.75R

0.1582ρ0.75μ0.25di=vm地源側(cè)循環(huán)泵選擇z

揚程水平連接管阻力：水平連接管一般也采用PE管，根據(jù)負擔的地埋管換熱器，逐段計算沿程阻力。建議比摩阻控制在100~200Pa/m（系統(tǒng)小比摩阻可取高值，系統(tǒng)大宜取低值），流速控制在2m