第三章地源热泵系统的设计及计算.docx
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第三章地源热泵系统的设计及计算
第三章地源热泵系统的设计及计算
D
3）、其它有关标准
二、空调冷、热负荷计算
空调负荷是指为保持室内空气设计条件，单位时间内室内空气输入或排出的热量，前者称为热负荷，后者称为冷负荷。
热负荷、冷负荷与湿负荷的计算以室外气象参数和室内要求保持的空气参数为依据。
冷热负荷的计算是空调工程设计中最基础的计算工作，负荷计算的准确性直接影响到建筑的能耗，工程的投资费用和整个系统的运行费用及使用效果。
在设计时，一定坚持对建筑物作负荷分析计算，只有认真的负荷分析计算，才有热泵机组合理的选型和正确土壤换器的设计。
建筑冷热负荷的分析计算依据：
建筑物类型、地理位置、环境条件、外围结构、建筑物功能、人员状况、新风量等。
可采用能耗分析软件进行适当地优化分析，减少不必要的负荷浪费。
设计院通常采用负荷逐时计算法，专业公司通常采用经验估算。
1、室外空气参数的确定：
室外的计算参数取值的大小，将会直接影响室内空气状态和空调运行费用。
除有特殊要外，一律按规范中的规定。
2、室内空气参数的确定
室内计算参数的确定，除了考虑所提出的一定必要外，空调房间的负荷要考虑下列因素：
照明和设备散热量、人体散热量和散湿量、新风的热量和湿量。
还应根据室外气温、经济条件和节能要求进行综合考虑各种建筑物室内空气计算参数按国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）的具体规定。
3、冷、热负荷的计算
负荷包括：
围护结构传热、外窗太阳辐射、人体散热、照明散热、室内物品的散热、空气的渗入带来的热量等形成的冷负荷。
冷负荷的计算
1）、围护结构传热引起的冷负荷：
其中：
F——外墙、屋顶的计算面积m2，
K——外墙、屋顶的传热系数W/m2.k，查表
——外墙、屋顶的冷负荷温度的逐时值℃，查表。
2）、玻璃窗的冷负荷，
ａ.传热引起的冷负荷：
其中：
Ｆ——窗口面积m2，
Ｋ——玻璃窗的传热系数W/m2.k，查表
tn——室内设计温度℃，
tt——玻璃窗的冷负荷温度的逐时值℃，查表。
ｂ.玻璃窗日射引起的冷负荷
其中：
——玻璃窗对太阳辐射直射的吸收率，
——玻璃窗对太阳辐射散射的吸收率，
——直射太阳辐射强度W/m2，
——散射太阳辐射强度W/m2，
——玻璃吸收太阳辐射热传向室内的比率，一般取0.319
3）电热设备发热引起的冷负荷
4）室内湿源形成的湿负荷
ａ.人体散湿、热形成的冷负荷，
人体散热与性别、年龄、衣着、活动强度以及环境条件等各种因素有关，在人体散出的热量中，辐射约占40%，对流约占20%，其余40%.则为潜热。
ｂ.工艺设备散湿：
随着工艺流程可能有各种材料表面蒸发水汽或泄漏，其散湿量确定方法视具体情况而定，可从有关资料查出。
5）冷、热负荷的估算：
在初步设计阶段，由于设计基本数据不是很完备，所以一般是采用负荷指标估算冷热负荷,目的是为了做投资预算的依据。
a、建筑面积估算法
不同地区建筑物的冷热指标估算：
b、不同用途的建筑物冷负荷概算指标
ｃ.空调的热负荷
热负荷包括围护结构的传热，外窗的散热以及室内设施的吸热等形成的热负荷。
一般建筑的热负荷量随地质不同有所差异，在我国四、五类区域，热负荷均略小于冷负荷。
ｄ.空调湿热负荷
湿空气是由干空气和水蒸汽所组成的，在工程计算上定0℃时干空气的焓及饱和水的为0，则在温度T时干空气的可表示为：
室内湿源包括人体散湿和工艺设备的散湿。
人的散湿量大约随人的活动程度，轻微活动—中等劳动—重度劳动散湿量逐渐增加100～250～400g/h。
三、能量采集系统的设计
（一）水源热泵系统：
1、水源热泵水井的确定
如果考虑使用地下水水源热泵系统，首先应与当地政府的有关管理部门联系，争取得到他们的支持，允许使用地下水，然后再按照以下步骤工作：
1）委托当地水文地质管理单位对水文地质进行调查，在当地勘查部门进行勘查的总结资料的基础上，对地下水源进行估测、评定，以表明所选的地点是否是安装地下水系统的理想地点。
2）对水文地质条件复杂并且当地没有进行勘查工作的地区，就需要向当地的勘查部门提出勘查要求，由有资格的水文地质工作者对当地供水井和回灌井进行预期估测，提供满足系统峰值流量要求的方案，并建议井的设置，包括水井的数量、间距和供水井回灌井的直径、深度。
3）当地没有做正规的勘查，但有零散的钻井档案，而且水文地质条件简单，或用水量不大的情况时，可不进行全面的勘查工作，但是在大面积建筑物水源热泵系统工程确定方案以前，必须做水文地质钻探。
通过钻探可以更直接而且较准确地了解含水层的埋藏深度、厚度、岩性、分布情况、水位和水质等。
利用钻井抽水试验，注水试验，从而确定含水层的富水性和水文地质参数，譬如给水度，导水系数，渗透系数，储水系数，水位传导系数，补给系数及越流系数等。
对地下水储存量、补给量、容水量和水质的评估，选定满足系统峰值流量要求的最佳方案。
4）将方案报有关管理部门审批，取得合理开凿地下水许可证。
2、水井的设计
水井的设计将由有经验有资格的水文地质工作者完成。
1）根据地下水总的取水量，确定单井的预期功能和容量、抽水井的取水量、抽水井的动态水位和回灌井回灌点。
2）井的位置要选在稳定型水源地，确定井的几何尺寸、钻井数量、井间距及井的具体定位。
3）大水量用水时，要进行井群的干扰计算，将结果与设计的总水量、控制点的降深、回灌点的要求进行比较，尽量满足要求。
4）井套管的选材、灌浆和回填材料的确定。
5）地下水输送系统的排气，防止水锤发生，消除氧气腐蚀，避免水井间的虹吸作用等。
6）地下水系统是否允许供水井和回灌井在运行过程中互换。
7）在进行定期的维护避免出现堵塞现象的条件下，回灌井的回灌量不能超出同一井供水量的2/3。
3、地下水资源的保护
1）尽量减少水源热泵机组对地下水的需求量。
采用热泵机组最低允许进液温度与最高允许进液温度之间温度大的机组，充分利用地下水的能量，相应减少地下水的应用量。
2）增设地下水流程中的过滤、除砂、重力沉淀设施，使回灌水清洁，避免回灌井的堵塞，扩大回灌量。
3）抽水井和回灌井的深度必须在同一含水层，杜绝不同水质的水层相互连通，防止被污染的潜水与其他承压水混合。
4）如果水源热泵系统所确定的水源是已经被污染的水层，可用物理—化学法和生物净化法对污染的地下水进行净化，降低地下水的污染程度。
4、举例说明
北京某办公楼，建筑面积10000平方米，坐落在北京海淀区四季青镇杏石口路，四季青镇单井取水量为80立方/小时，回水量为70立方/小时。
现项目业主想采用水源热泵系统冬天供暖、夏天制冷，请为业主计算应该打多少口井？
（二）地源热泵系统
地源热泵中央空调地热交换系统可分为垂直式与水平式两种。
在选择地热交换器的形式时必须对建筑物的功能、环境和土质水文做清楚的了解，和详细的调研后，方可确定地热交换器形式。
1水平式埋管（水平式）
水平式埋管方式的优点是在软土层造价低，但受外界气候影响。
水平式埋管的方式可分为单层和双层，如图：
单沟多管和双沟多管。
多选用Ф32的PE管。
水平平铺，单沟单回路每延米管长换热量34W/M。
双回路换热量25W/M。
四回路换热量20W/M。
六回路换热量16W/M。
不同地区有所差别。
2、垂直式埋管（立式）
垂直式埋管就是在地面向深处钻孔，将U型管安装在井孔里，将孔填实，根据每孔实装U型管的数量可分为单U型、双U型和多U型。
①钻孔直径与孔间距离
单U型孔径50～80mm孔间4～5m
双U型孔径100～150mm孔间5～6m
多U型孔径200～250mm孔间6米以上
②钻孔深度
空调系统分为单状态运行和两种状态运行，单状态运行和两种状态运行时间差大的土壤换热器的钻孔深度宜为40～60m。
两种状态运行时间差小的土壤换热器的钻孔深度宜100m以下。
热泵系统两种状态运行时间较为平衡的土壤换热器的钻孔深度宜为150m以下。
3、现场的调查与分析
在决定采用地源热泵系统地热交换器的形式之前，应收集有关资料并对工程施工现场实际情况进行准确的掌握，这就是现场勘测。
1）仔细阅读计划建设的建筑物设计文件，掌握建设的规划、规模、建筑物的用途，并了解在施工期间所有当地规章制度、政策性条例、地区性法规，以减少施工干扰。
2）确定建筑物业主拥有的地表使用面积大小和地形，建筑物所在的方位、结构、路边附属设备、地下公用设施、市政管道位置以及地下废弃的设施，以避免因潜在因素造成不必要的损失，影响施工。
3）查阅有关水文资料，包括地质结构，岩土的质量深度等，对现场进行调研分析，做出现场对采用地源热泵系统的适应性评估。
4、地址勘察
选用地源热泵系统后的第一件工作就是对现场地质的勘测，包括松散土层的厚度、密度、砂型、含水量、岩床的深度、岩床的结构。
1）钻井勘测孔
虽然大部分地区是适合安装地源热泵的，有时候现场也许会因为一些特殊情况，需增大钻孔设备容量、增加钻进难度，加大了成孔成本。
在工程开始前，对现场情况的勘测，避免了在施工时可能遇到的潜在复杂问题，并且使用实际测量数据比使用假设数据更可以提高设计者在设计上的可靠性和准确性，同时也为工艺设计提供所需的资料，以便选择最合适的钻孔挖掘设备和钻井钻具。
对于建筑面积小于3000m2的建筑，建议使用一个测试井。
对于大型建筑物至少使用2个测试井。
对于地耦管水平式热交换器，挖一个3～5m的深坑就能实现，对靠近地表处土质状况是否有巨石存在也能做一定了解。
而对于垂直式热交换器，就需要钻勘探孔，并按有关规定格式做好记录。
2）地下岩土热物性参数的检测
地下岩土的热物性参数是地源热泵土壤换热器设计中重要的依据。
习惯的方法是根据所了解的现场地质资料，凭经验假设一些系数进行设计计算，况且地下地质结构的复杂，影响土壤导热系数的因素诸多，导致计算的地耦管的长度与实际长度有一定的偏差，有时甚至相差很大，因此现场的实际勘测是非常必要的。
实际准确的热物性参数可保证设计的可靠，是土壤换热器不会出现负荷不足或规模过大现象。
为了能更准确的为设计者提供可靠的设计依据，应在现场按预计的深度钻孔，并按确定的工艺完成一个独立的单孔换热器，再用专用岩土热物性测量仪作仔细测量，记录换热器环路中水的流量、进出水的温度、运行时间等相关数据和每延米孔深或每延米管长的换热量（W/m）。
5、勘测报告
1）、勘测数据的计算
勘测孔的钻孔，U型管的安装，孔的回填均按设计方案，不得随意更改。
如需改变方案必须经设计者签字同意后方可执行。
根据勘测孔的实测数据，验证设计计算的结果。
1、勘测孔换热能力
换热量=流量×介质比热×（进液温度—回液温度）÷0.86（kW）
其中：
流量（kg），比热（kcal/kg·℃），温度（℃）。
2、U型管的阻力=进液压力—回液压力
3、确定U型管的最小流量和最低流速
保持最佳换热量单位时间内的最小流量和最低流速，为选定水泵提供依据。
2）勘测报告内容
根据调查、勘测写出水文地质勘测与评估报告，为设计提供可靠依据，其内容如下：
1、建筑物业主拥有使用权的土地面积、范围以及规划设计方案；
2．土地表面的现有建筑的结构、用途等，是否有其它的高架设施；
3．地面的公共设施、相关设施的位置和地下设施的用途、位置、深度等；
4．收集到的地质资料和做出的评估；
5．钻探勘测孔是掌握工程现场土壤热工特性的重要手段之一，阐明钻孔设备、钻井方法、钻井工具，勘测孔的孔深、孔径，U型管的数量、直径、长度，回填料的配制以及回填设备。
6．U型管内的介质、流量、流速、进液温度、回液温度，写明测量结果，附有测量记录数据。
6、地源热泵土壤换热器的设计
垂直埋管技术是国际土壤源热泵组织所推荐的，特别适合于场地比较紧张的城市地区。
工程上最多的是U型管换热器。
关于垂直埋管换热器传热分析数值计算的论文很多，而且计算方法各不相同，在应用方面较少有通用性。
本节主要阐述的是垂直式换热器的设计计算。
但是，因为垂直埋管换热器传热问题影响因素众多，涉及空间范围大，计算时又很难查找有关可靠参考数据。
所以，在当前的计算条件下用数值计算方法直接进行实际工程的设计计算还有一定的难度。
目前，在实际工程中广泛采用最大负荷估算法。
设计计算是为了保证在地埋管换热器的寿命周期中，循环介质的温度变化都在设计要求的范围之内。
1）换热器换热量的确定
查阅被选用的热泵机组的样册，统计出夏季空调运行所需要的机组制冷量之和Q冷以及冬季采暖运行所需要的机组吸热量之和Q热，查出机组制冷运行和制热运行的能效系数EER和COP。
夏季制冷时，土壤换热器向大地排放的热量为：
冬季制热时，土壤换热器从大地吸收的热量为：
从实践中得到，在地质情况相同的条件下，热泵机组允许的最低和最高进液温度是确定热交换器地耦管长度的主要因素。
如果以允许最低进液温度为确定因素，热交换器的长度由吸热负荷确定；如果以允许最高进液温度为确定因素，热交换器的长度由放热负荷确定。
在实际中，温度只会达到最低或最高温度限制值中的一个。
降低机组的最高温度允许值或升高机组最低温度允许值，都要增加地耦管的长度。
2）换热器地耦管的选材
常用的塑料管UPVC、PB、PP-R、PEX、ABC、PVC、PE中，地耦管换热器采用PE管。
选用的PE管材要具备以下要求：
a耐腐蚀性能好：
聚乙烯PE管，耐化学介质的腐蚀，无电化学腐蚀，保证地耦管使用50年以上；
b良好的柔性、延展性：
聚乙烯PE管是一种高柔性管材，其断裂伸长率一般超过500%；
c流体阻力小：
聚乙烯PE管内壁光滑，绝对粗糙度K值不超过0.01mm，是钢的20％。
内壁光滑，使壁内不易结垢，流体磨擦阻力小；
d优良的挠屈性：
聚乙烯PE管小于ф50的较长的管可盘卷供应，减少接头；
e较好的耐冲击性：
聚乙烯PE管耐冲击强度高，不易破裂；
f导热系数高：
聚乙烯PE管导热系数大于0.42W/m·℃；（土壤源换热器专用管导热系数大于0.65W/m·℃）；
g良好的施工性能：
聚乙烯PE管材
（1）尺寸规格
目前，国内已有口径φ25～φ400。
（2）颜色
A、GBl5558.1规定，燃气用聚乙烯管道的颜色为黄色或黑色加黄条；
B、GB13663规定，给水用聚乙烯规定为蓝色或黑色加蓝条
（3）长度
长度一般为12米／根（标准规定为6、9、12米／根），小口径管可盘卷
（4）性能指标
短期静液压强度：
在20℃、环向应力9MPa下，韧性破坏时间应大于100小时
在80℃、环向应力4.6MPa下，脆性破坏时间应大于165小时
※热稳定性：
在200℃下，应大于20分钟
※耐应力开裂：
在80℃、环向应力4MPa下，应不小于170小时
※压缩复原在80℃、环向应力4MPa下，应大于170小时
※纵向回缩率：
在110℃下，应不大于3％
※断裂延伸率：
应大于350％
（5）压力等级
对于水管道，是按原材料的不同等级（PElOO、PE80、PE63等）、标准尺寸比（SDR）给出的。
MOP：
最大允许工作压力
MRS：
材料的最小要求强度
SDR：
标准尺寸比
管件的分类
①根据管件的生产方式不同，可将管件分为注射管件及焊接管件两大类。
大部分管件都可用注射成型的方法制造。
但对于一些壁厚、体积、重量都较大的管件，可采用焊接的方法制造。
②根据施工方法、用途的不同，可将聚乙烯管件分为电热熔管件、热熔对接管件、承插管件、钢塑转换接头等类型。
A、电热熔管件：
电热熔管件在制作工艺过程中，将电热丝布置于管件的内表面，施工时将管子与管件配合后用专用的加热控制电源将管件中的电热丝通电加热，使管件与管材的接触表面熔化结合，冷却后使管件与管材牢固、密封地结合在一起。
由于施工快捷方便，焊接效果好，电热熔管件是目前世界上聚乙烯管材连接件中应用最为广泛的一种。
此种管件的缺点是制造成本较高。
B、热熔对接管件：
热熔对接管件是指适用于热板对接焊的管件。
C、热熔承插管件：
热熔承插管件是用于承插焊连接的管件。
一般口径较小，主要用于φ32以下管件。
D、钢塑转换接头：
钢塑转换是实现钢管向塑管、塑管向钢管转换的专用管件。
③按工程习惯，聚乙烯管道系统的管件又可分为：
套筒、弯头、三通、鞍型、三通、变径、法兰、钢塑转换等。
管件的性能：
A．短期静液压强度：
在20℃、环向应力9MPa下，韧性破坏时间应大于100小时
在80℃、环向应力4.6MPa下。
脆性破坏时间应大于165小时
B．热稳定性：
在200℃下，应大于20分钟
C．加热伸缩：
管件外径及长度变化不超过5％，管件外形不允许有明显变化。
聚乙烯PE球阀
PE球阀是聚乙烯管网系统中不可缺少的控制元件。
它开启、关闭的力矩小，阀门无腐蚀，不需维护和维修，使用寿命50年，聚乙烯管网系统的完整性提高。
整体式的阀体，免除了泄漏的可能，PE球阀与PE管道连接时，无需设置阀门井，直埋施工，阀体两端的直口可使用对接焊或电熔焊方便的连接。
聚乙烯PE管管质轻，焊接工艺简单，管件与管材在材质上同一性，实现了管件与管材焊接的一体的化。
其接口的抗拉强度和爆破强度均高于管材本身，有效抵抗内压力产生的环向应力和轴应力。
（三）能量采集水系统的承压
在一般情况下，地埋管换热器最低处是最高压力点，系统停止运行时，等于系统的静水压力的差与大气压力之和，
系统启动的瞬间，最低处压力等于静水压力的差、大气压与水泵全压之和，
系统正常运行时，最低处压力等于静水压力的差、水泵全压的一半与大气压力之和，
PE管的压力等级
管路所需承受的最大压力等于大气压力、U型管内外液体重力作用静压差和水泵扬程总和。
选用的管材允许工作压力应大于管路的最大压力。
在20℃输送水的最大允许工作压力：
0.4MPa.、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa、1.6MPa。
（四）地耦管管径的选择
在管流量部分，在工程中管径的选择既能使管道保持最小的输送功率，又能够使管道内保持紊流，提高循环液体和管道内壁之间的放热系数。
选择管径时必须满足几个原则：
一是管道要大到足够保持泵最小输送功率，减少运行费用；
二是管道要小到足够使管道内保持紊流以保证循环液体和管内壁之间的传热；
三是系统环路的长度不要过长。
地耦管的管径选择要考虑到按U型管的所需长度，成盘供应，以减少埋管接头数量，
所需管件能低价供应，降低工程成本。
所以目前采用较多的地耦管直径为PE100-SDR11-Ф32和PE100-SDR13.6-Ф32。
地耦管换热系统管路的压力损失主要在集路管，所以集路管管径应适当大一点，多采用PE100（或PE80）-SDR11～13.6。
集路管的管径、流量、阻力：
从众多工程项目施工中得到：
地耦管的管径在Ф25mm～Ф50mm时，以PE100-SDR13.6-Ф32（GB/T13663-2000）为最佳。
在换热器的换热量小的工程中，在保证质量的条件下，尽量选用薄壁管，以提高换热效果。
孔深60m以内用，壁厚可选2.4mm的聚乙烯管（公称压力1.25）；孔深200m以内用，壁厚为3.0mm的聚乙烯管（公称压力1.6）。
影响地耦管长度的因素有换热器的换热量、管的材质、土壤的结构、埋管的形式以及连接方法等。
（四）地耦管管长的计算：
（五）、地耦管换热器的钻孔数量和孔的深度
钻孔数量和深度要根据建筑物周围可使用面积，建筑物对中央空调的使用要求，土地的土壤结构，PE管的材质以及钻孔设备等来确定。
在使用面积足够大的条件下钻孔数量加大，钻孔深度可在40m～80m，浅孔可降低材料成本，减少钻孔费用。
它适合单一运行状态的空调系统，因为埋管周围的地表浅层温度平衡速度快，但浅层埋管土壤温度波动大。
地源热泵系统的换热器埋管在条件允许时，尽量采用100m～200m深孔埋管，因为大地温度随地区和季节不同的温差在更深处消失，热泵的两种运行状态基本能使埋管的局部区域维持温度的平衡。
根据地耦管的长度、埋管的形式和钻孔深度，很容易就能
确定钻孔数量。
1．钻孔的数量可用估算法：
（Hq文章介绍一般取35~50W/m，不同地区在不同工况时，双U管实际测量记录为：
50~130W/m。
单位孔深换热量靠河畔、海岸地区取80～90；岩土含水量大、水位高的平原地区取70～80；岩土含水量少、水位低的高原地区取60～70；干噪的沙漠地区取60以下。
）
2．根据经验双U管也可按照下式计算：
在同一地区，受岩土的导热率，密度，比热容，含水量，渗水量以及换热器内水温与岩土换热温差的影响，土壤的吸热量是土壤放热量的50~70%。
3.参照勘测报告，用勘测记录的数据推算出的本地区每延米孔深的换热量（W/m）与设计计算出的数据相互比较、分析，确定一个可靠的设计方案。
（六）地耦管换热器集管的连接
地耦管换热器集管的连接以同程式为基楚，在大型地耦管换热器系统中，可划分若干个组、区。
组组同程，区区同程，系统同程。
同程式就是经过每一并联环路的管长基本相等，如果通过每米长管路的阻力损失接近相等。
则管网的阻力不需调节即可保持平衡。
同程式系统中系统的水力稳定性好，各孔内换热器间的水量分配均衡。
如果机房设在地下室，集管穿过地下室外墙，应设防水套管。
集管与套管之间隙用油麻丝和油膏嵌缝。
集管穿过地下室外墙为承重墙或基础时，应预留洞口。
洞口集管顶上部净空不得小于建筑物的沉降量。
一般不小于0.15m，由于采用回程管，系统管路增长，水阻力增大。
地耦管管内流体流量的确定
不同地区地耦管内的工作流体有异，在我国南方，采暖期较短、制冷期较长，一般多注入软化水作为工作流体；而在我国北方，采暖期较长，地下埋管回水温度一般较低，进入机组的温度低于3℃时，在循环系统中需使用20%的乙二醇溶液作为中间介质。
若地下埋管进水温度高于3℃时，循环系统中使用软化水。
循环泵
为了保证的充分地热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统应严格控制水流的临界速度。
因为水流处于层流状态时，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水力不平衡。
而在紊流状态下，再怎样增加流速都不会对传热带来更大改善。
因此要对地耦管换热器系统作分析，计算出最不利环路所得的管道压力损失，加上热泵机组以及系统内其他部件的压力损失，从而确定水泵的流量与量程，选择能满足循环要求的水泵的型号，确定水泵台数。
在实际工程中，地耦循环管多为并联连接到大直径的集管上的，连接时均采用同程回流式系统。
在此系统中，流体有足够的流量流过各并联支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。
在多孔井的大型工程中，采用多个分支同程回流系统，再并联成总同程回流系统，每个分支系统均有管道平衡井。
地耦
循环集管的按装要有一定的坡度，重视系统的气塞现象。
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