地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)例介紹目錄第一節(jié)概述第二節(jié)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三節(jié)熱泵機(jī)房及末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四節(jié)工程實(shí)例第一節(jié)概述本文所指的地源熱泵系統(tǒng)包含淺層地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管式地源熱泵系統(tǒng)；本類系統(tǒng)主要由三部分組成：1、水井、地埋管等地下?lián)Q熱系統(tǒng)安全可靠性、初期投資2、熱泵機(jī)房系統(tǒng)滿足負(fù)荷需求節(jié)能性3、室內(nèi)末端系統(tǒng)室內(nèi)使用效果第二節(jié)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、淺層地下水源熱泵系統(tǒng)1、概述形式：同井抽灌、異井抽灌目前的項(xiàng)目多采用異井抽灌適用范圍：地下水文地質(zhì)條件比較好區(qū)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則：地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。必須采取可靠的回灌措施，使抽取的地下水能夠全部回灌，且不將受污染的水與未受污染的水混采和混灌。地下水的持續(xù)出水量應(yīng)滿足水源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量或放熱量的要求。(1)收集地質(zhì)、水文地質(zhì)資料首先應(yīng)收集項(xiàng)目地的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，結(jié)合項(xiàng)目負(fù)荷情況以及場地條件，初步判定是否能采用該系統(tǒng)。規(guī)模較大、沒有水井資料的項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)前應(yīng)鉆試驗(yàn)水井，評價(jià)單井的出水能力和回灌能力。2、設(shè)計(jì)程序及思路(3)水量的確定

根據(jù)供暖制冷工況下，水環(huán)路的最大放熱量和最大吸熱量計(jì)算。初步估算流量時(shí)的可參照如下公式進(jìn)行：

a、夏季制冷工況下：q1=3600Q1/ρcp(t2-t1)(3)式中：q1為夏季制冷時(shí)所需地下水量(m3/h)；Q1為夏季設(shè)計(jì)工況時(shí)換熱器最大換熱量(kw)，據(jù)公式(1)求得；ρ為水的密度(kg/m3)，可取1000kg/m3；cp為水的定壓比熱容，可取4.18kJ/(kg·℃)；t1為進(jìn)入機(jī)組換熱器的地下水溫度(℃)；t2為出換熱器的地下水溫度(℃)。

代入值公式簡化為：

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

例題某建筑夏季總冷負(fù)荷500Kw，機(jī)組EER為5.0，根據(jù)（1）式計(jì)算Q1＝500（1+1/5）＝600(Kw)最大需水量計(jì)算為(溫差為11℃)：q1＝600/（1.163×11）＝46.9(m3/h)該建筑物熱泵系統(tǒng)夏季需地下水最大抽水量為46.9m3/h。b、冬季供暖工況下：

q2=3600Q2/ρcp(t1-t2)(4)式中：q2為采暖時(shí)所需地下水量(m3/h)；Q2為冬季設(shè)計(jì)工況時(shí)需要提取的熱量(kw)，據(jù)公式(2)求得；ρ為水的密度(kg/m3)，可取1000kg/m3；cp為水的定壓比熱容，可取4.19kJ/(kg·℃)；t1為進(jìn)入機(jī)組換熱器的地下水溫度(℃)；t2為出換熱器的地下水溫度(℃)。

代入值公式簡化為：q2=Q2/[1.163(t1-t2)]由公式(3)、(4)計(jì)算地下水流量，取較大值46.9m3/h作為所需要的地下水流量。

(4)井深的選擇抽灌水井的深度主要由項(xiàng)目所在地的水文地質(zhì)條件、取水層位決定；水井的深度一般在100m左右，否則會導(dǎo)鉆打井成本的升高。如果地下水位埋深較淺，淺部有較好的含水層，如單層厚度大于5m的粗砂以上地層，也可以減少井深只取上部含水層的水，井深可在50~60m之間。(5)井徑和井管井的直徑可以為500~800mm，井管直徑一般為300~500mm，一開到底。井管可選焊接管或卷焊管，也可選鑄鐵管，不宜用水泥管，因?yàn)槠涫褂脡勖獭V水管可用打孔外纏絲鋼管或橋式濾水管。(7)井?dāng)?shù)的考慮要用較少的井完成需要的取水量，單井的出水能力以5m降深考慮。由系統(tǒng)所需最大水量除以單井出水量得到抽水井?dāng)?shù)?；毓嗑?dāng)?shù)量應(yīng)根據(jù)各地水文地質(zhì)條件確定，一般應(yīng)等于或多于抽水井?dāng)?shù)量。根據(jù)水源熱泵供暖的特點(diǎn)，可以采用適當(dāng)提高利用溫差的方法減少地下水的用量。提高利用溫差的方法有多機(jī)組串聯(lián)用水和單機(jī)混水法或板換隔離法。(8)其它井間距：井間距應(yīng)根據(jù)各地水文地質(zhì)條件確定，一般不小于50米；水平連接管：目前的設(shè)計(jì)中一般都將每眼水井均設(shè)計(jì)為可抽灌互用型，在水平連接管的設(shè)計(jì)上一般都采用雙管路系統(tǒng)，通過閥門的切換實(shí)現(xiàn)水井功能的轉(zhuǎn)換。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，每眼水井在完井后均應(yīng)做抽水試驗(yàn)和回灌試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)做進(jìn)一步校正。第二節(jié)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、地埋管熱泵系統(tǒng)1、概述形式：水平埋管、垂直埋管水平埋管因占地面積大、受氣候影響大等缺點(diǎn)，目前應(yīng)用較少。而豎直埋管因其占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則：地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察資料以及土壤的熱物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。地埋管換熱器的換熱量應(yīng)滿足地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量或放熱量的要求。(1)工程勘查，地層熱物性測試在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期，應(yīng)對工程場地進(jìn)行工程地質(zhì)勘查，包括巖土體熱物性、巖土體溫度隨深度和季節(jié)的變化、地下水分布情況及動態(tài)特征、凍土層厚度的勘查。如項(xiàng)目所在地區(qū)有巖土體熱物性參數(shù)時(shí)，可直接應(yīng)用，否則應(yīng)采用現(xiàn)場熱響應(yīng)法進(jìn)行測試。2、設(shè)計(jì)程序及思路熱響應(yīng)測試原理：將地埋管換熱器與加熱/制冷設(shè)備（測試儀器）連接，通過向地下輸入熱量，模擬夏季制冷工況；通過向地下輸入冷量，模擬冬季采暖工況。在向地下輸入冷、熱量的同時(shí)，不斷記錄進(jìn)出管的溫度和流量，來計(jì)算地層的換熱能力（地層導(dǎo)熱系數(shù)K、單位延米換熱孔換熱量w/m)

熱響應(yīng)測試的方法：恒熱流測試法可控工況測試法熱（冷）響應(yīng)測試車原理簡圖熱響應(yīng)測試(3)地埋管換熱器埋管形式的選擇埋管形式可以分為如下幾種：水平埋管垂直埋管單U型雙U型(比單U提高15%的換熱量)垂直埋管布孔形式等間距布孔（正方形布孔）梅花型布孔（等邊三角形布孔）(4)埋管長度的確定根據(jù)計(jì)算的負(fù)荷、巖土層熱物性參數(shù)、所選的地理管形式及熱泵參數(shù)，通過軟件模擬的方法，計(jì)算得出埋管總長度。目前實(shí)際工程中，常利用單位埋管深度的換熱量來計(jì)算換熱管的長度，一般垂直埋管的單位深度換熱量為30～70W/m(利用溫差為10～15℃)之間，放熱大于吸熱。該數(shù)據(jù)需要通過熱響應(yīng)測試獲得。(5)孔深、孔徑、孔數(shù)、孔間距的確定換熱孔深度的確定：結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件與鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)鉆進(jìn)深度，一般基巖地層鉆進(jìn)深度不超過120米，第四系地層一般不超過150米。結(jié)合現(xiàn)場可布設(shè)換熱孔的面積，面積大則選擇的余地大，面積小則選擇的余地小。換熱孔直徑的確定：結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件，一般第四系地層，尤其是粘土含量大、縮徑嚴(yán)重地層換熱孔的直徑會比較大；一般基巖地層換熱孔的孔徑相對較小。結(jié)合布管形式，一般雙U型比單U型的孔徑大。第四系地層一般在180~300mm之間，基巖地層一般在100-180之間。換熱孔數(shù)量的確定：

N=L/H

式中：N為鉆井?dāng)?shù)(個(gè))；

L需要的換熱孔的總長(m)；

H為換熱孔單孔深度(m)；換熱孔間距的確定：場地條件：場地有限可適當(dāng)減小間距。熱干擾半徑：地層導(dǎo)熱性好，熱傳遞快，單個(gè)換熱孔的換熱能力高，熱擴(kuò)散半徑大，孔間距大；相反則小。施工成孔率：目前換熱孔施工的鉆機(jī)的控斜能力不強(qiáng)，換熱孔很容易傾斜，當(dāng)孔間距較小時(shí)，容易造成穿孔。換熱孔深度大，間距可適當(dāng)加大，相反則小。應(yīng)綜合考慮以上三方面因素，確定換熱孔的間距，一般在3~7米之間。換熱管選擇換熱管材料和規(guī)格：主要有PE80和PE100兩種材料的管材，垂直管一般采用SDR11系列的管材，水平連接管一般采用SDR17系列的管材換熱管直徑：垂直埋管雙U型一般采用D25與D32的PE管，單U型的一般采用D40的PE管；水平連接管的直徑根據(jù)管內(nèi)流量進(jìn)行選擇。孔深、孔間距、孔數(shù)、管材等要綜合考慮，使其既能滿足現(xiàn)場條件的要求，又能滿足系統(tǒng)對換熱孔冷、熱量的需求。(6)確定流速加大流速可以增強(qiáng)換熱，但過快的流速會增大管道沿程阻力損失，增大水泵的用電消耗。根據(jù)地埋管換熱器的布置形式和采用的換熱液特征，應(yīng)使換熱液處于紊流狀態(tài)，流態(tài)形式主要通過雷諾數(shù)Re來進(jìn)行判斷：Re<2000為層流2000<Re<4000為從層流到紊流的過渡態(tài)Re>4000為紊流Re具體計(jì)算過程（1）確定通過管道的流量Qv(m3/h)、管子公稱直徑和液體特性；根據(jù)公稱直徑，確定管子的內(nèi)徑Di(m)。（2）計(jì)算管子的斷面面積A(m2)。（3）計(jì)算流速υ(m/s)，υ=Qv/3600A。（4）計(jì)算液體的雷諾數(shù)Re，Re=ρυDi/μ一般，D32雙U型管路流量取1～2m3/h，流速0.26～0.53m/s，雷諾數(shù)Re5195~10389(7)環(huán)路形式的選擇各個(gè)換熱孔之間有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式串聯(lián)方式：幾個(gè)換熱孔之間串聯(lián)成一個(gè)流動通道。該種方式主要用于換熱孔深度較淺，單孔換熱量小，單孔進(jìn)出口溫差小的系統(tǒng)中，如樁基埋管。并聯(lián)方式：鉆孔間以并聯(lián)形式連接，用于換熱孔深度較深，單孔進(jìn)出口溫差不太小的系統(tǒng)，為常用方式。水平連接管的連接方式分為同程式和異程式系統(tǒng)。同程式系統(tǒng)：傳熱介質(zhì)流經(jīng)各埋管的流程相同，因此各埋管的流動阻力、流量和換熱量比較均勻。為了保持系統(tǒng)環(huán)路間的水力平衡，在實(shí)際工程中多采用同程式系統(tǒng)。(8)確定換熱介質(zhì)在低緯度南方地區(qū)，由于地下巖土體溫度較高，因此多采用水作為換熱介質(zhì)。在中高緯度北方地區(qū)，地下巖土體的溫度較低，冬季取熱工況下，需要加入防凍液。可采用的有鹽類溶液，如氯化鈣和氯化鈉水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。但以乙二醇水溶液居多。采用防凍液可增大管內(nèi)流體與土壤的傳熱溫差，增強(qiáng)換熱，減少換熱孔數(shù)量，但會降低機(jī)組的效率，增大運(yùn)行電費(fèi)。應(yīng)慎用。3、軟件設(shè)計(jì)方法以上所講的設(shè)計(jì)方法及思路是目前國內(nèi)工程中常采用的方法。國外，尤其是在一些應(yīng)用歷史較長的國家，多采用專業(yè)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路一般如下：第二節(jié)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、監(jiān)測系統(tǒng)（有條件的項(xiàng)目）1、淺層地下水源熱泵定期取水樣，對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測；對抽水井、回灌井的抽灌水量和水位進(jìn)行監(jiān)測。2、埋管式地源熱泵系統(tǒng)埋設(shè)溫度傳感器，對地溫場進(jìn)行長期監(jiān)測第三節(jié)熱泵機(jī)房及末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、機(jī)房系統(tǒng)1、系統(tǒng)配置上單一系統(tǒng)對于冷熱負(fù)荷差別不大，規(guī)模較小的系統(tǒng)復(fù)合式系統(tǒng)對于規(guī)模較大的系統(tǒng)，或冷熱負(fù)荷相差較大，可能引起冷熱不平衡而造成地溫場持續(xù)升高或降低的項(xiàng)目?？刹捎玫膹?fù)合式系統(tǒng)一般有：鍋爐冬季采暖調(diào)峰、冷水機(jī)組+冷卻塔夏季制冷調(diào)峰、冰蓄冷夏季日間制冷調(diào)峰。2、系統(tǒng)的可調(diào)控性系統(tǒng)的可調(diào)控性直接關(guān)系到系統(tǒng)的節(jié)能性熱泵機(jī)組的臺數(shù)：對于500KW以上的項(xiàng)目，最好選擇2臺或以上，在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可以達(dá)到節(jié)能，減少大馬拉小車的現(xiàn)象水泵變頻、或采用二級泵系統(tǒng)、或水泵與熱泵機(jī)組聯(lián)動等，可減少水泵的電耗。3、水源熱泵系統(tǒng)注意除砂對機(jī)組的磨損對回灌井的堵塞二、末端系統(tǒng)1、系統(tǒng)供水溫度冬季供水溫度一般在50℃左右；夏季供水溫度一般在7℃左右2、適合的末端形式地板輻射采暖、風(fēng)機(jī)盤管、頂棚輻射等方式，不適合采用散熱器采暖第四節(jié)工程實(shí)例介紹一、中國地質(zhì)大學(xué)科研綜合樓水源熱泵項(xiàng)目單一型水源熱泵系統(tǒng)二、天津國際貿(mào)易與航運(yùn)服務(wù)區(qū)2#寫字樓地源熱泵項(xiàng)目復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)一、中國地質(zhì)大學(xué)科研綜合樓水源熱泵項(xiàng)目1、概述本工程位于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）校園北部，緊鄰城府路，使用性質(zhì)為科研樓，該樓需要冬季供暖、夏季制冷。工程總建筑面積28974.50㎡，其中：地下3層，建筑面積8942.10㎡,地上12層，建筑面積20032.80㎡。夏季空調(diào)冷負(fù)荷：2384kw；冬季供暖負(fù)荷：1849kw。初步了解該區(qū)第四系水文地質(zhì)條件較好，含水層地層顆粒較粗，適合采用水源熱泵系統(tǒng)。2、換熱水井系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要提取和釋放的熱量夏季需要向地下水釋放的熱量Q1=2384*(1+1/5.5)=2817KW冬季需要從地下水提取的熱量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兩者取較大的，因此最大需水量為220m3/h井深、單井出水量、井?dāng)?shù)設(shè)計(jì)根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件結(jié)合已成水井情況，該區(qū)第四系含水層巖性為砂礫石，礫石等，主要分布在三個(gè)層段，厚度較大，賦水條件較好，水位埋深約30m（以地面計(jì)），水溫約15℃。該種地層的出水、回灌能力均較強(qiáng)。根據(jù)以上資料，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)水井深度為100米，水井直徑800mm，井管直徑426mm，單井出水量設(shè)計(jì)為110m3/h。本項(xiàng)目最大需水量為220m3/h，因此鉆2眼抽水井，同時(shí)抽水井與回灌井按1:1設(shè)計(jì)，即鉆2眼回灌井。最小井間距為50米。井身結(jié)構(gòu)根據(jù)測井及錄井資料，濾水管的位置為47.4~56.5米的卵石層，63.4~75.8米的中粗砂、礫砂層，采用橋式濾水管。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的濾料。井身結(jié)構(gòu)如右圖：成井后的抽水、回灌試驗(yàn)靜水位為31.8米，水溫17.8℃抽水試驗(yàn):兩個(gè)落程的抽水試驗(yàn)，穩(wěn)定時(shí)間24小時(shí)，抽水試驗(yàn)結(jié)果如下：Q1=115m3/h,S1=4.2mQ2=80m3/h,S2=1.9m回灌試驗(yàn)：一個(gè)升程的回灌試驗(yàn)，穩(wěn)定時(shí)間24小時(shí)，回灌試驗(yàn)結(jié)果如下：Q=115m3/h,S=7.6m其它水平管連接：采用雙管路系統(tǒng)，通過閥門的切換，每眼井既可以作為抽水井，又可作為回灌井；在每眼水井中均安裝潛水泵，作為回灌時(shí)的水井內(nèi)的水泵可以作為回?fù)P用（在回灌不暢時(shí)，進(jìn)行反抽）。潛水泵采用變頻控制，通過回灌水的溫度來進(jìn)行控制。二、天津國際貿(mào)易與航運(yùn)服務(wù)區(qū)2#寫字樓地源熱泵項(xiàng)目1、概述本工程位于天津保稅區(qū)，總建筑面積為23378.76平方米，其中地上建筑面積為21714.12平方米，地下建筑面積為1664.64平方米。地上13層，地下1層。夏季空調(diào)冷負(fù)荷：2525kw；冬季供暖負(fù)荷：1713kw。該區(qū)第四系厚度較大，在400米以淺，地層主要以粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉細(xì)砂為主。地下水條件差，但易鉆孔，比較適合采用垂直埋管式地源熱泵系統(tǒng)。2、地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤熱物性測試鉆一眼120米深的換熱孔，孔內(nèi)安裝雙U型PE100換熱管，管徑為D32。采用恒熱流方式進(jìn)行測試，模擬夏季工況，通過夏季工況獲得的結(jié)果在計(jì)算冬季工況下的換熱量，測試時(shí)間為63小時(shí)，測試儀器加熱功率7KW。測得地層原始溫度15.1℃；測得夏季在測試工況下地層的換熱量：58w/m(28/33℃)。推算地層的導(dǎo)熱系數(shù)為：1.64W/(m℃)推算夏季設(shè)計(jì)工況下地層的換熱量：65w/m(30/35℃)推算冬季設(shè)計(jì)工況下地層的換熱量：40w/m(8/4℃)需要提取和釋放的熱量夏季需要向地埋管中釋放的熱量Q1=2525*(1+1/5)=3030KW冬季需要從地埋管中提取的熱量Q2=1713*(1-1/4)=1285KW通過以上計(jì)算可以看出，冬季從地下提取的熱量比夏季向地下釋放的熱量小的多。同時(shí)該種地層的自恢復(fù)能力差，因此，若完全按地埋管的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可能會造成地溫差的持續(xù)上升，從而可能會影響到系統(tǒng)的安全可靠性。因此，在本系統(tǒng)中采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，地埋管換熱器按能滿足冬季采暖負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，夏季制冷散熱不足的部分由冷卻塔進(jìn)行輔助調(diào)峰。需要的換熱孔長度及調(diào)峰冷卻塔冬季需要