地源热泵系统方案.docx
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地源热泵系统方案
地源热泵系统
什么是地源热泵
地源热泵是一种利用地表或地下浅层地热等低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现既能供热又能制冷、低位热能向高位热能转移的一种技术。
地源热泵研究背景
1、地热能研究现状
近年来，随着我国现代化建设步伐的加快，人民生活水平的提高，能源材料涨价，楼宇、居住建筑在城市建筑中迅速兴建，供暖、空调作为人们追求舒适性的必备工具，已经在我国普遍使用。
然而，随着空调设备使用的日益广泛，一直困扰人们的能源问题、环保问题也日益突出。
因此，增加可再生新能源利用比例以及减少环境污染成为人们关注的重要课题。
土壤是一个庞大的蓄热（冷）体，其内部蕴藏着巨大的地热能，传统意义上的地热能可以归为深层地热能，其能量的来源主要是地球内蕴藏着由放射性物质热蜕变等原因所产生的巨大热能。
严格地说，深层地热能是不可再生的。
在对地热能的开发研究过程中，人们开始意识到一种蕴藏在地表浅层的浅层地热能，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。
因此，浅层地热能是真正意义的可再生能源。
为此，一些发达国家如美国、中北欧国家开始关注浅层地热能，美国对于开发浅层地热能的力度最大，几乎占据了地热能直接利用的一半。
世界上许多国家不同温度值的浅层地热能储量相当丰富，然而过去这些低焓资源并没有得到充分的利用。
随着环保意识的增强以及地源热泵技术的发展，开发浅层地热能已势在必行。
2、地源热泵应用现状与前景
地源热泵已被认为是有效利用浅层地热能的节能装置之一，它其实就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与土壤进行热交换，或是通过中间介质（通常是水）作为冷热载体，并使中间介质在封闭环路中通过土壤循环流动，从而实现与土壤进行热交换的目的。
其原理见图1-1。
地源热泵真正意义上的商业应用也只有二十年的历史。
尤其是近十年来，地源热泵系统在北美如美国、加拿大以及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展。
如美国，到1985年为止全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到目前为止共安装了40万台，而且每年在以10%的速度稳步增长。
1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中在新建建筑中占30%。
美国正计划达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树木100万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元。
中国的地源热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好，越来越多的用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。
近几年来在北京、天津、、、、、、、黑龙江及河北等地，已有几千个地源热泵工程在实际应用，供热/空调面积达几百余万平方米。
与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用（主要包括能耗费用和维护费用）方面有较大优势。
如在商业应用中，使用地源热泵的年均能耗折算成美元为10.44$/m2，而传统空调的相应值为12.59$/m2，节能达到17%。
地源热泵之所以能够如此显著地降低能耗，是由于地源热泵的热源（土壤）较传统空调系统的热源（空气）具有明显优势：
土壤深度5-10m以下温度稳定且约等于当地全年平均温度，可以为热泵分别在夏、冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度；埋管换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗。
在维护费用方面，地源热泵的优势也较明显。
表1-2中将地源热泵与传统空气源热泵系统的维护费用进行了比较。
可以看出，即使是地源热泵最不具优势的运营方式（由外部承包商负责维护），也比传统的最具优势的分体式空气源热泵的年均维护费用低22.8%。
若将地源热泵在能耗方面节约费用17%计算在内，则地源热泵平均可比传统空调系统降低运行费用近40%。
表1-2地源热泵与传统空气源热泵系统年均维护费用比较单位：
10-2$/ft2
项目
建筑数量
平均年限
平均费用
最低费用
中位费用
最高费用
地源热泵
含加班费管理费
25
5
9.3
0.52
7.35
31.45
含承包商利润
25
5
10.95
0.58
8.37
38.08
设备类型
ASHRAE数据
集中式空气源热泵
10
15.1
33
11
28.4
62
分体式空气源热泵
6
23.7
26.4
9.6
25.7
49.3
由于在全世界范围内要比以往更加关注能源、环境与可持续发展之间的关系，并且我国由于以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染。
因此，要实现经济的可持续发展，必须尽可能多地利用清洁的可再生能源，同时加大节能的力度，而冬季供暖、夏季制冷的地源热泵系统是一个很好的选择。
3、埋管换热器传热理论研究现状
从上世纪70年代末开始，随着对地源热泵的研究逐渐活跃，欧美等国的实验室和研究机构对埋地换热器的地下换热过程开始了较大规模的研究，建立起了相应的数学模型并进行数值仿真，研究成果反映在J.EBose和J.DParker、P.DMetz及V.CMei等人的论文和研究报告中。
20世纪90年代以来，国外对埋管换热器的研究热点依然集中在换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与换热器匹配和安装布置技术等方面。
与前一阶段研究简单的传热模型不同，研究者更多地关注相互藕合的传热、传质，以便更好地模拟埋管换热器的真实换热状况，指导实际应用；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的传热过程，从而降低系统用于安装埋管的初投资；为进一步优化系统，开始研究有关埋管换热器与热泵装置的最佳匹配参数。
国际最新研究动态表明，有关埋管换热器的传热强化、地源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究都是土壤源热泵发展的核心技术课题，也是涉及多个基础学科领域且极具挑战性的研究工作。
国内对埋管换热器传热理论方面的研究明显滞后于实验研究，主要成果有：
天津大学结合能量守恒定律，采用V.C.Mei三维瞬态远边界传热模型为理论基础，建立了地下埋管换热器的传热模型，对运行期和过渡期进行模拟，其计算结果与实测值均较吻合；青岛建工学院李芃等人建立了U型竖埋管周围土壤温度场的二维非稳态传热模型，计算结果与实测值吻合较好，并计算得到了U型埋管换热器的热作用半径；同济大学张旭等人建立了一维非稳态传热模型；山东建工学院曾和义等人对埋管换热器传热模型进行了深入的研究，提出了U型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型。
归纳国内外对埋管换热器的传热理论研究有如下几个特点：
（1）研究方法以现场测试为主，理论分析为辅；
（2）换热器传热模型过于简化，U型埋管换热器常常简化为一个当量的单管；
（3）忽略土壤深度方向温度的影响，土壤传热过程往往被视为纯导热过程，没有考虑土壤的热湿迁移过程。
4、我公司对地下换热器的研究
我公司利用前期理论研究的成果，在对U型管桩埋换热器进行长期实验研究的基础上，着重研究土壤层内U型管桩埋换热器的传热规律。
具体研究内容有：
1）简单阐述三种传热模型的特点，并进行比较，指出完善传热模型的思路；
2）引入埋管管脚热影响因子，分别对土壤层内U型埋管换热器的稳态和非稳态传热过程进行研究；
3）结合工程应用实例，模拟计算U型管桩埋换热器的传热规律，重点计算不同参数下U型管桩埋换热器的传热性能，以及各参数对换热器传热性能的影响，得到U型管桩埋换热器周围土壤的温度变化规律及换热器热输出与出口温度的变化规律；
4）得出了U型管桩埋换热器周围土壤热湿迁移过程；
5）实验研究方面包括：
对U型管桩埋换热器进行长期期实验研究，研究U型管桩埋换热器热输出和出口温度变化规律，以及换热器短期连续运行对周围土壤温度的影响，实验验证一些主要参数如埋管内水流量、进口水温、回填材料对埋管换热器换热性能的影响。
地源热泵系统的组成
①室外地能换热系统
土壤源
地下水
地表水
②水源热泵机组
③室内采暖空调末端
术语
地源热泵系统（groud-sourceheatpumpsystem）
以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。
根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
对于制冷来说，地源热泵与常规冷水机组最大的区别是：
空调系统的冷却水冷却变为地下水或土壤冷却。
地下水或土壤冷却，又有若干种方式。
地埋管换热系统或地下水换热系统，地下水换热系统又分为直接和间接换热等等。
水源热泵机组（water-sourceheatpumpunit）
以水或添加防冻剂的水溶液为低温热源的热泵。
通常有水／水热泵、水／空气热泵等形式。
地热能交换系统（geothermalexchangesystem）
将浅层地热能资源加以利用的热交换系统。
浅层地热能资源（shallowgeothermalresources）
蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源。
传热介质（heat-transferfluid）
地源热泵系统中，通过换热管与岩土体、地下水或地表水进行热交换的一种液体。
一般为水或添加防冻剂的水溶液。
地埋管换热系统（groundheatexchangersystem）
传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统，又称土壤热交换系统。
地埋管换热器（groundheatexchanger）
供传热介质与岩土体换热用的，由埋于地下的密闭循环管组构成的换热器，又称土壤热交换器。
根据管路埋置方式不同，分为水平地埋管换热器和竖直地埋管换热器。
水平地埋管换热器（horizontalgroundheatexchanger）
换热管路埋置在水平管沟内的地埋管换热器，又称水平土壤热交换器。
投资较少、占地多、有一定温差。
竖直地埋管换热器（verticalgroundheatexchanger）
换热管路埋置在竖直钻孔内的地埋管换热器，又称竖直土壤热交换器。
投资较高、占地少、效率高。
地下水换热系统（groundwatersystem）
与地下水进行热交换的地热能交换系统，分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统。
投资最小、需回灌、有污垢
直接地下水换热系统
由抽水井取出的地下水，经处理后直接流经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。
间接地下水换热系统
由抽水井取出的地下水经中间换热器热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。
一般规定
1、地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。
2、对已具备水文地质资料或附近有水井的地区，应通过调查获取水文地质资料。
3、工程勘察应由具有勘察资质的专业队伍承担。
工程勘察完成后，应编写工程勘察报告，并对资源可利用情况提出建议。
4、工程场地状况调查应包括下列内容：
1）场地规划面积、形状及坡度；（是否满足打井或埋管面积和位置要求）
2）场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布；
3）场地内树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电缆的分布；
4）场地内已有的、计划修建的地下管线和地下构筑物的分布及其埋深；
5）场地内已有水井的位置。
地埋管换热系统勘察
地埋管地源热泵系统方案设计前，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察。
地埋管换热系统勘察应包括下列内容：
1、岩土层的结构；
2、岩土体热物性；
3、岩土体温度；
4、地下水静水位、水温、水质及分布；
5、地下水径流方向、速度；
6、冻土层厚度。
地下水换热系统勘察
地下水地源热泵系统方案设计前，应根据地源热泵系统对水量、水温和水质的要求，对工程场区的水文地质条件进行勘察。
地下水换热系统勘察应包括下列内容：
1、地下水类型；
2、含水层岩性、分布、埋深及厚度；
3、含水层的富水性和渗透性；
4、地下水径流方向、速度和水力坡度；
5、地下水水温及其分布；
6、地下水水质；
7、地下水水位动态变化。
地下水换热系统勘察应进行水文地质试验。
试验应包括下列内容：
1、抽水试验；
2、回灌试验；
3、测量出水水温；
4、取分层水样并化验分析分层水质；
5、水流方向试验；
6、渗透系数计算。
当地下水换热系统的勘察结果符合地源热泵系统要求时，应采用成井技术将水文地质勘探孔完善成热源井加以利用。
成井过程应由水文地质专业人员进行监理。
地表水换热系统勘察
地表水地源热泵系统方案设计前，应对工程场区地表水源的水文状况进行勘察。
地表水换热系统勘察应包括下列内容：
1、地表水水源性质、水面用途、深度、面积及其分布；
2、不同深度的地表水水温、水位动态变化；
3、地表水流速和流量动态变化；
4、地表水水质及其动态变化；
5、地表水利用现状；
6、地表水取水和回水的适宜地点及路线。
地埋管换热系统设计
1、地埋管换热系统设计前应明确待埋管区域内各种地下管线的种类、位置及深度，预留未来地下管线所需的埋管空间及埋管区域进出重型设备的车道位置。
2、地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。
计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。
3、地埋管换热器换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或释热量的要求。
在技术经济合理时，可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。
4、地埋管换热器应根据可使用地面面积、工程勘察结果及挖掘成本等因素确定埋管方式。
5、地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数，采用专用软件（瑞典隆德大学EED、美国SolarEnergy实验室TRNSYS等）进行。
竖直地埋管换热器的设计也可按本规范附录B的方法进行计算。
6、地埋管换热器设计计算时，环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。
7、水平地埋管换热器可不设坡度。
最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。
8、竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3～6m。
水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。
9、地埋管换热器管内流体应保持紊流流态，水平环路集管坡度宜为0.002。
10、地埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且宜同程布置。
每对供、回水环路集管连接的地埋管环路数宜相等。
供、回水环路集管的间距不应小于0.6m。
11、地埋管换热器安装位置应远离水井及室外排水设施，并宜靠近机房或以机房为中心设置。
12、地埋管换热系统应设自动充液及泄漏报警系统。
需要防冻的地区，应设防冻保护装置。
13、地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。
14、地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力计算。
15、地埋管换热系统宜采用变流量设计。
16、地埋管换热系统设计时应考虑地埋管换热器的承压能力，若建筑物内系统压力超过地埋管换热器的承压能力时，应设中间换热器将地埋管换热器与建筑物内系统分开
17、地埋管换热系统宜设置反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的2倍。
地埋管换热系统施工
1、地埋管换热系统施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸，并完成施工组织设计。
2、地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其他地下构筑物的功能及其准确位置，并应进行地面清理，铲除地面杂草、杂物，平整地面。
3、地埋管换热系统施工过程中，应严格检查并做好管材保护工作。
4、管道连接应符合下列规定：
1）埋地管道应采用热熔或电熔连接。
聚乙烯管道连接应符合国家现行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101的有关规定；
2）竖直地埋管换热器的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头；
3）竖直地埋管换热器U形管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求，组对好的U形管的两开口端部，应及时密封。
5、水平地埋管换热器铺设前，沟槽底部应先铺设相当于管径厚度的细砂。
水平地埋管换热器安装时，应防止石块等重物撞击管身。
管道不应有折断、扭结等问题，转弯处应光滑，且应采取固定措施。
6、水平地埋管换热器回填料应细小、松散、均匀，且不应含石块及土块。
回填压实过程应均匀，回填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道。
7、竖直地埋管换热器U形管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。
当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。
下管过程中，U形管内宜充满水，并宜采取措施使U形管两支管处于分开状态。
8、竖直地埋管换热器U形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔。
当埋管深度超过40m时，灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行。
地埋管换热系统的检验与验收
1、地埋管换热系统安装过程中，应进行现场检验，并应提供检验报告。
检验内容应符合下列规定：
1）管材、管件等材料应符合国家现行标准的规定；
2）钻孔、水平埋管的位置和深度、地埋管的直径、壁厚及长度均应符合设计要求；
3）回填料及其配比应符合设计要求；
4）水压试验应合格；
5）各环路流量应平衡，且应满足设计要求；
6）防冻剂和防腐剂的特性及浓度应符合设计要求；
7）循环水流量及进出水温差均应符合设计要求。
2、水压试验应符合下列规定：
1）试验压力：
当工作压力小于等于1.0MPa时，应为工作压力的1.5倍，且不应小于0.6MPa；当工作压力大于1.0MPa时，应为工作压力加0.5MPa。
2）水压试验步骤：
⑴竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。
在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压lh。
水平地埋管换热器放入沟槽前，应做第一次水压试验。
在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。
⑵竖直或水平地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。
在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。
⑶环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。
在试验压力下，稳压至少2h，且无泄漏现象。
⑷地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验。
在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不应大于3%。
3）水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏；不得以气压试验代替水压试验。
3、回填过程的检验应与安装地埋管换热器同步进行。
竖直地埋管换热器的设计计算
竖直地埋管换热器的热阻计算宜符合下列要求：
1、传热介质与U形管内壁的对流换热热阻可按下式计算：
Rf=1/（K·di·π）（1-1）
式中：
Rf——传热介质与U形管内壁的对流换热热阻（m·K／W）
di——U形管的内径（m）
K——传热介质与U形管内壁的对流换热系数
2、U形管的管壁热阻可按下列公式计算：
（1-2）
（1-3）
式中：
Rpe——U形管的管壁热阻（m·K／W）；
λp——U形管导热系数
d0——U形管的外径（m）；
de——U形管的当量直径（m）；
对单U形管，n=2；对双U形管，n=4。
3、钻孔灌浆回填材料的热阻可按下式计算：
（1-4）
式中：
Rb——钻孔灌浆回填材料的热阻（m·K／W）；
λb——灌浆材料导热系数；
db——钻孔的直径（m）。
4、地层热阻：
即从孔壁到无穷远处的热阻可按下列公式计算：
对于单个钻孔：
对于多个钻孔：
式中：
Rs——地层热阻（m·K／W）；
I——指数积分公式，可按公式（1-6）计算；
λs——岩土体的平均导热系数；
α——岩土体的热扩散率（m2／s）；
rb——钻孔的半径（m）；
τ——运行时间（s）；
xi——第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离（m）。
5、短期连续脉冲负荷引起的附加热阻可按下式计算：
式中：
Rsp——短期连续脉冲负荷引起的附加热阻（m·K／W）；
τp——短期脉冲负荷连续运行的时间，例如8h。
竖直地埋管换热器钻孔的长度计算宜符合下列要求：
1、制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：
式中：
Lc——制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度
Qc——水源热泵机组的额定冷负荷（kW）
EER——水源热泵机组的制冷性能系数
tmax——制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常37℃；
T∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）；
Fc——制冷运行份额；
Tc1——一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，为最热月份水源热泵机组的运行小时数；
Tc2——一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，为最热月份的小时数。
2、供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：
式中：
Lh——供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度
Qh——水源热泵机组的额定热负荷（kW）；
COP——水源热泵机组的供热性能系数；
tmax——供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-2～5℃；
Fh——供热运行份额；
Th1——一个供热季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，为最冷月份水源热泵机组的运行小时数；
Th2——一个供热季中的小时数，当运行时间取一个月时，为最冷月份的小时数。
（1-5）
（1-5）
（1-5）
（1-5）
（1-
）
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