地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

上海富田空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司地源熱泵事業(yè)部地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土（土壤、巖石等）作為熱源或熱匯，它是由地埋管換熱系統(tǒng)與熱泵機(jī)組構(gòu)成。

土壤溫度在地面15米以下溫度接近當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁?，常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵是利用土壤“冬暖夏涼“的特性來(lái)制冷/供熱的節(jié)能中央空調(diào)，和利用空氣源制冷/供熱相比較，效率大大提高，且不受環(huán)境溫度影響。地埋管地源熱泵系統(tǒng)2土壤溫度隨深度變化示意圖月份01020304004080120160200240280320360地表2FT（0.6m)5FT(1.5m)12FT(3.6m)123456789101112天數(shù)3根據(jù)布置形式的不同，地下埋管換熱器可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。水平埋管：優(yōu)點(diǎn)：在軟土地區(qū)造價(jià)低缺點(diǎn)：占地面積較廣，不太適合中國(guó)地少人多的國(guó)情。

水平埋管4垂直埋管垂直埋管：（已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式）垂直埋管分為單U和雙U兩種埋管方式

優(yōu)點(diǎn)：占地面積較小，工作性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)：造價(jià)相對(duì)較高5單U管雙U管垂直埋管還分為單U和雙U兩種埋管方式6系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，不受環(huán)境影響不直接抽取地下熱水，有效避免環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生和對(duì)地?zé)豳Y源的破壞能量夏存冬取，可循環(huán)利用節(jié)約一次能源，可節(jié)省大量煤、石油、天然氣等高品位的一次能源各級(jí)政府的大力支持以及資金補(bǔ)貼地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)7建筑能耗分析地埋管地源導(dǎo)熱系數(shù)、溫度鉆孔區(qū)域、埋管形式系統(tǒng)性價(jià)比大型復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)選擇應(yīng)用方法冷熱負(fù)荷特點(diǎn)峰值冷熱負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)間累計(jì)冷熱負(fù)荷對(duì)供冷供熱能力的影響系統(tǒng)投資與運(yùn)行費(fèi)用地埋管地源熱泵份額輔助冷熱源形式的確定是否考慮生活熱水？加冷卻塔？加鍋爐？地質(zhì)情況鉆孔費(fèi)用其他便于利用的能源地埋管地源換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)8地源熱泵設(shè)計(jì)任務(wù)資料收集及現(xiàn)場(chǎng)踏勘制定地源測(cè)試方案建筑能耗動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算場(chǎng)地勘測(cè)孔施工巖土層結(jié)構(gòu)堪查巖土體熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)成果分析和報(bào)告撰寫(xiě)使用專業(yè)軟件進(jìn)行地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和熱平衡模擬地源熱泵系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)場(chǎng)地勘測(cè)孔施工與建筑、結(jié)構(gòu)等各專業(yè)配合

地源熱泵設(shè)計(jì)工作程序框圖工程經(jīng)驗(yàn)修正91、建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，在此不再贅述。

夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式計(jì)算：夏季制冷地埋管排熱量=冷負(fù)荷+地源熱泵壓縮機(jī)功率

[Q排=Q冷×（1+1/COP1）]

冬季制熱地埋管吸熱量=熱負(fù)荷-地源熱泵壓縮機(jī)功率

[Q吸=Q熱×（1-1/COP2）]

其中Q排——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q冷——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW

Q吸——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q熱——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的COP1、COP2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟

102、地下熱交換器設(shè)計(jì)

2.1選擇熱交換器形式水平（臥式）或垂直（立式）單U型管或雙U型管串聯(lián)或并聯(lián)同程或異程絕大部分系統(tǒng)采用垂直埋管、單U型管、并聯(lián)、同程的地埋管換熱系統(tǒng)形式。

2.2選擇管材目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上。112.3埋管管長(zhǎng)、鉆孔數(shù)量、埋管面積計(jì)算在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來(lái)計(jì)算管長(zhǎng)。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量，一般垂直埋管為60～100W/m(井深)，或30～50W/m(管長(zhǎng))，水平埋管為20～40W/m（管長(zhǎng)）左右。

按夏季排熱量：總換熱管長(zhǎng)度=夏季排熱量/單位孔深排熱量（上海地區(qū)約65W/m）按冬季吸熱量：總換熱管長(zhǎng)度=冬季吸熱量/單位孔深吸熱量（上海地區(qū)約40W/m）鉆孔數(shù)量=總換熱管長(zhǎng)度/鉆孔深度

埋管面積=單孔占地面積×鉆孔數(shù)量注：1、單位孔深換熱量以熱響應(yīng)測(cè)試的測(cè)試值為準(zhǔn)。

2、單孔占地面積與布孔方式及孔距有關(guān)，一般采用4m孔距菱形布孔。3、若埋管面積不夠或冷熱負(fù)荷無(wú)法平衡，地埋管可按冬季吸熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)，夏季采用冷卻塔輔助散熱

122.4確定管徑（1）管道越大，水泵輸送功率越小，流速越小，流體換熱時(shí)間越長(zhǎng)；（2）管道越小，管道內(nèi)保持紊流，流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱效果越好。U形埋管管徑流速

20—40mm0.6—1m/s40—100mm1—1.5m/s100—200mm1.5—2m/s

地埋管換熱器的環(huán)路壓力損失宜控制在30~50KPa/100m，最大不超過(guò)50KPa/100m13矩形布孔菱形布孔地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)：1、宜采用菱形布孔，以節(jié)約埋管面積14異程系統(tǒng)同程系統(tǒng)地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)：1、宜采用同程系統(tǒng)設(shè)計(jì)153、系統(tǒng)壓力不得高于地埋管承壓（管道一般采用PE管）

4、要考慮地埋管系統(tǒng)的檢修（預(yù)留孔，或預(yù)留排查操作空間）

地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)：前期設(shè)計(jì)都是建立在估算的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化16

地源熱泵混合系統(tǒng)是在常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)（地埋管換熱器、熱泵主機(jī)、末端系統(tǒng)）以外增加輔助的散熱/加熱裝置解決全年冷熱負(fù)荷不平衡的問(wèn)題解決設(shè)置地