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地源热泵系统三种形式对比 作者： 日期：20 个人收集整理 勿做商业用途关键字:地下 供热 土壤 空调系统 空调 热量 热泵 采用 系统 地源热泵系统三种形式对比随着全球性的能源危机和人类对环保要求愈来愈高，人们不断舍弃传统冷暖方式,而采用更加先进、更加节能的制冷、供热技术及产品。埋管式地源热泵中央空调系统被称作二十一世纪最有效的冷暖中央空调技术.这项技术冬天不用锅炉房，夏季不用冷却塔,不燃煤、不燃油、不燃气,也不打井，不取地下水，不破坏地下水资源,不造成空气热污染,不产生任何废气和废弃物,具有零污染的良好品质。夏季能供冷、冬季能供暖，同时还可以供生活热水，实现“三联供，而且具有投资少、运行费用低等十大特点。我国党和各级政府把节约能源和环境保护作为可持续发展战略的重要内容。我国当前的能源形势:我国能源消费总量位居世界第二;我国能源总量人口平均水平不足世界平均值的50%;中国建筑能耗的总量逐年上升，已经占到能源消费总量的27。45;我国9成以上属于高能耗建筑;我国建筑能耗是西方国家的三倍以上；在建筑能耗中，有将近55%是采暖和空调能耗,且仍在上升中；我国二氧化硫排放量居世界第一位；我国二氧化碳排放量居世界第二位. 什么是地源热泵?什么是埋管式地源热泵?地源热泵是一种中央空调工艺方式。它利用地表水、地下水或地下浅层土壤地温为冷热源,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移.在冬季,把地能中的热量“取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1 KW的能量，用户可以得到4KW以上的热量或冷量.地源热泵系统分为三种形式，一种是采用地表水的方式，即江、河、湖、海等；另一种是采用地下水的方式，也有的称“水源热泵”中央空调系统;第三种是埋管式，也有的称为“地耦式地源热泵”中央空调系统。地源热泵几种类型的对比，确定了开发土壤源热泵的方向。下面我们对三种地源热泵形式进行对比分析： 类型埋管式土壤源地下水源地表水源水资源法规不受限制，国家鼓励受限制，审批严格受限制，需审批地理纬度适用我国长江以北地区适用我国长江以北地区受影响,要求地表水温冬季大于7 C，夏季小于30 C建筑物 与地源距离不受影响，在建筑物周围垂直埋管即可长期抽水会造成地面沉降，井位密度和井距都有严格要求取水距离不宜过远寿命及 可靠性不受影响，地下埋管可使用50年水井的取水量受地下水位的变化影响很大，水井的使用寿命受很多因素的影响取水量受地表水位的变化影响，输水管道的使用寿命比土壤源垂直埋管低得多结论通过以上类型对比分析，埋管式地源热泵是最适合我国的，虽然其他二种类型也有其固有的优点，但就我国的软硬件条件来看,还是存在一定的不合理和不可执行性，不宜在我国广泛推广.地源热泵地下换热器嵌套工艺地源热泵地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺摘 要：地源热泵垂直埋管方式具有换热效率高的优点，但由于钻孔施工费用较高而应用受到限制。充分利用建筑桩基，在预制管桩、灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，可省却钻孔工序，大大减少地下换热器的施工费用而降低系统初投资。关键词：地源热泵；地下换热器;灌注桩；预制管桩；嵌套工艺地源热泵以其高效、环保、节能等诸多优势发展迅猛，代表着节能型中央空调的发展趋势。地源热泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多种应用方式。其中垂直埋管方式具有换热效率高、地下换热系统占地面积小的优点，但由于初投资较高而应用受到限制。钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。地下换热器与建筑物桩基嵌套，即在预制管桩、混凝土灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，省却钻孔工序,节约施工费用,更能有效的利用建筑物底板下的面积。同时，由于桩基的间距较大，U型换热管的相互热影响几乎为零，地下换热器的工况更为稳定.这种技术的推广将为绿地面积小、容积率高的建筑物提供新的应用空间，必将成为垂直埋管方式新的应用典范。一、工艺介绍上海地区土壤垂直分布基本上可划分为4层：粘土层、淤泥层、粉质粘土层和粉沙层。该地区土层较软且厚度大，故建筑物必须采用深基础，建筑物基础是以预制管桩和灌注桩为主，适宜采用地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺。1、预制管桩内U型换热管敷设工艺预制管桩主要是钢筋混凝土实心桩或空管桩，也有木桩或钢桩。其中空管桩桩管直径一般400mm、550mm，管壁厚为80mm，中间空腔直径为240mm、390mm,可以在空腔内埋设单U型换热管或双U型换热管，达到节省施工费用的目的。下管是地源热泵工程中关键之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，所以必须保证下管的深度。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U型管上浮的措施.在预制管桩口处放置麻袋之类的衬垫物品，以防止下管过程中换热损而导致其耐压等性能下降。因为在做承台时，管桩内埋管要接出去承台，所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度的长度。回填工序也称为灌浆封井,回填的目的是强化U型换热管与预制管桩壁之间的传热，用注浆泵或泥浆泵将回填物高压从桩底向上封入，回填物中不得含有大粒径的颗粒，回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出使混合浆自下而上回灌封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻.当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束。2、灌注桩和地下连续墙内U型换热管敷设工艺灌注桩是在钻好的孔内下入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础。地下连续墙是在泥浆护壁的条件下向地下钻挖一段狭长的深槽，在槽内吊放入钢筋笼，然后灌注混凝土，筑成一段钢筋骨混凝土墙段，并把每一墙段逐个连接起来形成一道连续的地下墙壁。由于灌注桩的孔径较大，可以在钢筋笼上放置多组U型管并在桩身内部可以并联汇聚（也可以适当串联）后再引出桩身,引出管要做好保护措施以防止土建方在对桩头进行处理时破坏到U型换热管。U型换热管可以放置在钢筋笼的内侧,也可以放置在钢筋笼的外侧，用尼龙扎带将其固定在钢筋笼上，并做好对U型管的保护。垂直管水平连接工艺：将垂直管引出承台在桩口处弯曲垂直管使其从套管中穿过，在承台施工完毕后先进行压力试验再熔焊接入水平总管上，以确保接入总管上的热交换管（D32，HDPE）的完好，无渗漏;待每根总管上的孔全部连接完毕后进行压力试验并观察总管上与各个支管相连处的熔焊焊缝有无渗漏；然后将供回水分别接至相应的分集水器;回填水平管,用沙子或泥土在管道层面上覆盖15cm厚。二、工程应用实例采用桩基内敷设地耦管形式的地源换热系统，即在建筑物桩基(预制管桩、灌注桩和地下连续墙）内敷设U型换热管，一定数量的U型换热管水平集结，形成若干组同程（或异程）换热回路，汇集至集、分水器，达到为建筑物空调系统提供冷热源的目的。实例1：某办公楼地源热泵空调工程，总建筑面积为4300 m2，空调面积为3500 m2，总冷负荷为450 KW.采用空桩管双U埋管式地源换热系统，即在本工程241根预制管桩（400500mm,其深度在4145m之间）内埋设双U型地耦管，所有的地耦管内地源水汇集到供水集管，通过循环泵送到室内的地源热泵机组,经能量交换后,回到地埋管路。桩基概述本工程采用预应力混凝土400，500二种型号管桩,选用第8-2桩尖持力层有效桩长，共三个区，区为41米，区为43米，区为45米。400预应力管桩162根，500预应力管桩81根，共计：243根。柱为14 6枚,间距为9 9m。土壤性质及回填物热工参数根据本工程钻孔勘察报告,分析得出，土壤在0-50米深范围内大致可分为如下几层，具体见下表.表1 土壤分布状况地层标高(m)主要土类2。17粘土、淤泥-21.27淤泥、粉质粘土-33.87粘土-33。07粉质粘土43.77粘土49。34细砂、粉质粘土、圆砾本区域主要以粘土、细砂、卵石为主，湿度以湿、饱和为主，本区域土壤传导率为1。6 W/m.k，回填物选用细纱和饱和粘土(或膨胀水泥+粘土),属于重饱和潮湿性土壤,导热系数为1.9 W/m。k。本工程其它热工参数土壤平均温度为660F（19）;为了保持热泵高效率（EER10或COP3。4)则热泵进水温度最低为460F（8），最高为860F（30）。地下热交换器换热量计算根据宁波地区供暖期一般为60天，夏季制冷期120天，计算得出本工程土壤年度吸热量（制热工况)、年度散热量（制冷工况）为如下数据：Q年度吸热量 =280*106Btu Q年度散热量 =1512*106Btu再计算D32聚乙烯垂直式U环路地耦管道长度（插孔深度为40米）L总吸热长度=1440m L总散热长度= 7212m从上得知总年度吸热长度（1440m）小于总年度散热长度(7271m)，则以总年度散热长度作为本建筑土壤热交换器设计长度。又根据土壤性质表和热工特性表，得知土壤热工参数如下：传导率=1。6 W/m。k扩散率=0.0200。011m2/h 回填料=1。9 W/m。k覆盖层厚度为100查垂直式U环路长度修正系数表，得出土壤热交换器长度修正系数为2。4,则最后土壤热交换器长度修正为L=72712.4=17450m根据以上相关参数，知所需管桩个数:N桩数=17450/（40*4）=218个S柱距=9m 9m按照土建图纸上240个桩位布置图，将218个桩孔内地耦管路设计8个同程环路通过同程水平集管连接集中到集、分水器。完全采用桩位内敷设双U型换热管的方式能大大满足该办公楼冷（热）负荷要求，因此不需要钻取地耦孔作为补充，初投资费用节省。实例2：德国波鸿市Stadtwerke(波鸿)公司办公楼,采用104组桩基埋管，在桩基钢筋笼内嵌套地耦管的方式.图2 钢筋笼内嵌套地耦管完成图片三、结束语地下换热器与建筑物桩基嵌套工艺具有省却钻孔工艺而降低初投资,节省地下换热系统分布面积等优点，将为地源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是由于可利用的桩基个数有限，采用这种嵌套工艺往往只能承担空调系统部分负荷，因此需要钻取地耦孔作为冷热源补充。嵌套工艺施工过程需要土建方密切配合.地源热泵节能的主要体现地源热泵节能主要体现这些方面：地源热泵系统的冷热源是利用地下浅层地热资源即可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。其能量来源是低温热源，对环境没有污染，效率高，能够很地适应建筑物制冷和供热的环保、节能要求.地源热泵系统构成：潜水泵（水源热泵）或埋管(地源热泵）、循环泵、末端（供热：地板采暖、制冷：风机盘管），没有冷却塔、没有污染、节约能源；是一项值得推广的好项目。电磁热泵与水/地源热泵随着经济的发展及人民生活水平的提高，人们对生活热水需求量迅猛增长.但是，由于大气环保加大了执法力度，燃煤锅炉房纷纷面临改造,又由于燃油、燃气甚至直接用电产生热水的成本过高，且非“可持续发展”的长久之计，因此，近年来以太阳能为供热源的热水器产业发展速度递增。 然而，由于我国太阳能资源分布有着地区上的较大差异，南方大部分地区全年的晴天率不足50，这就意味着在满负荷利用太阳热水器的情况下,相当一部分热是来自电或燃气,所以，利用太阳能来生产热水仍然具有一定的局限性。与之相比，热泵作为一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出能用的高品位热能的设备，其技术已成为全世界备受关注的新能源技术如今我国主要利用三种热泵技术，分别是空气源热泵，水源热泵，以及地源热泵。此外,新出现的电磁热泵采暖技术也大有与传统热泵技术一较高低之势。对于各种热泵技术的优劣评价以及改进方法,请看以下具体分析。空气源热泵技术空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的4050%，年产量为400 余万台。热泵冷热水机组自90 年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到2030%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。目前设计选用的风冷热泵冷热水机组，常根据计算得到的冷热负荷，考虑同时使用系数及冷(热）量损耗系数后，按机组铭牌标定值选择机组台数。由于空气源热泵机组的产冷(热）量随室外参数的改变而变化，这种选择方法可能造成机组选得过大，造成浪费；或者选得过小，使供冷（热）量不足，达不到使用要求.为此建议采用空调的逐时冷热负荷和热泵机组的供热供冷能力的逐时变化曲线对照选择，会得到比较满意的结果。此外,空气源热泵冬季供热运行时，最大的一个问题就是当室外气温较低时,室外侧换热器翅片表面会结霜,这便需要采取一定的除霜措施.文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途然而目前常用的一些方法，或多或少都存在一些问题，如发生多余的除霜动作，或需要除霜时而不发出信号等弊病存在。专家认为：采用自调整模糊除霜控制的思路及系统的基本结构。确定室内外大气温度、相对湿度之差及翅片温度的变化率等作为输入论域，经对输入量的模糊化和模糊推理方法,在高位机上实现模糊除霜控制的仿真,采用这种方法除霜经与实验数据对比，判别结果与实际情况较吻合。这种方法与常规除霜方法相比，不仅延长了制热工作时间,减少了除霜次数和除霜损失，而且使机组工作性能和可靠性得到了提高。水源热泵技术虽然目前空气源热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。一般情况下，水源热泵从16的井水中提取热，经电力压缩机对循环的工质做功，可以达到输出热水温度52，而其输出热量与输入电功率之比为3.51,比直接用电采暖节省电力72。这种热水可以利用风机盘管向房间供暖。夏季，又可利用同一装置制冷，做到一机多用，即节省初投资，又节省运行费。在有条件提供地下水源的情况下，是一种理想的节能系统装置。但在大部分地区，由于受到水源开采的限制，实际推广工程中难度很大。针对水源热泵的设计及应用过程中须注意的问题,清华大学建筑技术科学系某知名学者指出：首先必须探明是否有适合的水源供给，同时应考虑水源的温度、水量是否满足要求。文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途另外，甲方能够承担的开采利用成本也必须进行技术经济比较.对于开式水源热泵系统，水质要求则更高。除此之外，还需要考虑当地水文、地质、气象条件以及工程措施的影响,如：1)、全国不同气候带、不同区域的水源热泵技术适用性问题研究.包括在不同气候带、不同地区和不同建筑类型的条件下,水源热泵的投资经济性比较。2)、对现有水源的探测开采技术的提高和成本的降低问题.3）、地表蓄水体的传热过程分析，地下水的传热流动过程分析.4)、取水构筑物对于邻近建筑的影响,包括地面沉降问题，单井对建筑基础的影响.5）、深井回灌式水源热泵的回灌问题。在水源热泵的设备方面,也要充分考虑温差（取水和回灌水之间温差）与流量的合理利用,以及对于住宅水源热泵系统的外网运行费用分担问题。地源热泵技术地下土壤中蕴藏着丰富的温度资源,夏季地下土壤的温度低于地上空间的温度，冬季地下土壤的温度高于地上空间的温度。地温热泵技术就是利用这种季节性温度差，通过专门装置在夏季将地下土壤的低温资源转换到地上空间制冷,在冬季将地下土壤的高温资源转换到地上空间供热。其实从本质上来说，地源热泵也是空调，同样会衰减：冬天，它从地下吸取热量来供热。但用上十年，这种装置会比其他大多数的系统都更有效地供热。如果把一定的能源放进一个熔炉，制热时，所收回的或许会远远小于所放入的能源。但如果把该部分能源放进一个热泵，将收回三倍的效力。这是因为热泵不需要使用能源来造热；取而代之的是，它是转移已经存在的热量。究其特点分析，地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统.系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40-60%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。迄今为止，制约地源热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高，以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区,不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3-7 年内收回,地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统.新技术探悉：电磁热泵技术电磁供暖设备是在电磁热泵的基础，经过进一步的研究精制而成。电磁热泵是在电磁泵基础上发展制造出来的.该泵机改变了传统电机的套筒式结构及传统泵的设计原理，电机转子为平面圆环状,并与泵的叶轮结合成一体，实现了泵机无轴传动,安全静密封，永不泄露，彻底解决了百年来机械传动、泵轴泄露的世界难题.电磁泵采用片式平面定子线圈绕组，通电后形成平面旋转磁场，该旋转磁场通过平面气隙，在转子中形成感生电磁场,此电磁场与定子旋转磁场相互作用，迫使转子旋转.使用这样的电机加工生产出来的电磁供暖设备，不但彻底根除了煤、油、气各式锅炉燃烧所带来的环境污染,替代了各式锅炉房，有利环保，省去了中间繁杂的运输煤、油、气等原材料，并且热转换率高，创造热效率100%，机泵综合效率大于130%。据了解，电磁热泵除了适用于分户独立采暖外，还可为燃煤、油气各式锅炉配套用水泵，为各种空调组、风机配套水泵，特别是为工业尤其可以广泛用于石油化工领域.综观以上四种技术分析，不同类型的热泵虽然都有各自的优劣，但凭借我国的能源政策和环境保护政策、巨大的建筑市场、工业余热的资源很丰富等有利因素，相信热泵技术总体上会在建筑业与工业中的应用将会越来越普及，尤其是不受地理位置限制的电磁热泵发展前景将十分乐观。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途地源热泵技术原理和优缺点地源热泵技术原理：地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能)，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移.在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖;在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去,并且常年能保证地下温度的均衡。地源热泵技术特点：环保：使用电力，没有燃烧过程，对周围环境无污染排放;不需使用冷却塔，没有外挂机,不向周围环境排热，没有热岛效应，没有噪音;不抽取地下水,不破坏地下水资源。一机三用：冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。使用寿命长：使用寿命20年以上,是分体式或窗式空调器的24倍。全电脑控制，性能稳定，可以电话遥控，可以进行温湿度控制和新风配送.地源热泵优点：1、地源热泵技术属可再生能源利用技术 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统.地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。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。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。2、地源热泵属经济有效的节能技术 地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40,因此要节能和节省运行费用40左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。 据美国环保署EPA估计,设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。3、地源热泵环境效益显著 地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40以上，与电供暖相比，相当于减少70以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。4、地源热泵一机多用,应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调.5、地源热泵空调系统维护费用低 在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候,其地下部分可保证50年，地上部分可保证30年，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3年左右即可收回。 此外，机组使用寿命长，均在15年以上;机组紧凑、节省空间；自动控制程度高,可无人值守。地源热泵缺点 当然,象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约，实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。夏季运行，地源热泵机组在晚上不需要供冷时，可以启动蓄冰系统，将冷量储存在蓄冰槽中，白天通过融冰来承担部分冷负荷，从而降低了主机的负荷.夜间地源热泵机组运行能享受到低谷电价的优惠政策,从而降低了运行成本，也减小了地下换热器的负担，相应的地下换热器的工程量减少，从而也降低了系统的初投资.水环路地源热泵空调简介水环路热泵(Water-Loop Heat Pump，简称WLHP）空调系统，它由许多台水地源热泵空调机（WSHP)组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源.水环路的冷热源可以是地源,或锅炉、冷却塔联合方式。夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物,会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移,运行费用最少，节能效果明显.冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（地源或加热源）把热量补充到水环路。水环路热泵空调系统除具有显著节能特点外,还具有以下特点:1、节省占地：不设大的冷冻机房,没有冷却塔系统.2、能源费用单独计量：由各部门、住户或单位独立承担，能源费用计量简单且公平，符合当前的能源费用独立计量方法。3、调节灵活：每台热泵空调机在任何时间可以选择供冷或供热。4、灵活应用：能灵活充份地满足建筑物各个区的需要，并随时可以更改用途。地源热泵工程设计与实例引言随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统1.冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源,向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷.相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式.土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器.地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好,能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得,且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考.1 土壤源热泵系统设计的主要步骤（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述.冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式2计算：kW （1) kW （2）其中Q1 夏季向土壤排放的热量，kW Q1-夏季设计总冷负荷，kW Q2-冬季从土壤吸收的热量，kW Q2冬季设计总热负荷,kW COP1设计工况下水源热泵机组的制冷系数 COP2设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。（2）地下热交换器设计这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择,管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。（在下文将具体叙述)（3）其它2 地下热交换器设计2.1 选择热交换器形式2.1。1 水平（卧式）或垂直（立式)在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管,可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多3，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式.根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式:(1)U型管（2）套管型(3）单管型(详见2）。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失.单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下,埋管越深，换热性能越好，资料表明4:最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种（详见1），其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。2。1.2 串联或并联地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大,管道费用较高,并且长度压降特性限制了系统能力.并联系统管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式.2。2 选择管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多,应该优先考虑使用价格较低的管材.所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材.目前最常用的是聚乙烯(PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上;而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差,容易导致泄漏,因此，不推荐用于地下埋管系统。2。3 确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求2：(1)管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径,地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道,管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mHO/100m当量长度以下1。2.4 确定竖井埋管管长地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。文献2介绍了一种计算方法共分9个步骤， 很繁琐，并且部分数据不易获得.在实际工程中，可以利用管材“换热能力来计算管长.换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量,一般垂直埋管为70110W/m(井深），或3555W/m（管长)，水平埋管为2040W/m（管长）左右3。 设计时可取换热能力的下限值,即35W/m（管长），具体计算公式如下：(3）其中 Q1竖井埋管总长，m L 夏季向土壤排放的热量，kW 分母“35”是夏季每m管长散热量,W/m2.5 确定竖井数目及间距国外，竖井深度多数采用50100m2,设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:(4） 其中 N竖井总数，个 L-竖井埋管总长，m H竖井深度，m 分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍.然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深,否则钻孔和安装成本大大增加。关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m3，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m4。若采用串联连接方式，可采用三角形布置(详见2)来节约占地面积。2.6 计算管道压力损失在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算.可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降,将所有管段压降相加，得出总阻力。2.7 水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。2.8 校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和1，即:其中 管路最大压力，Pa o建筑物所在的当地大气压,Pa 地下埋管中流体密度，kg/m3 g 当地重力加速度，m/s2 h地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m h水泵扬程，Pa3 其它3。1 与常规空调系统类似,需在高于闭式循环系统最高点处(一般为1m)设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件.3。2 在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中,系统的供冷量远大于供热量,导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制,地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置(如冷却塔板式换热器,板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降低安装费用，保证地源热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程1。4 设计举例4.1 设计参数上海某复式住宅空调面积212m2。4.1。1 室外设计参数夏季室外干球温度tw34, 湿球温度ts28。2冬季室外干球温度tw4， 相对湿度754.1.2 室内设计参数夏季室内温度tn27, 相对湿度n55%冬季室内温度tn20， 相对湿度n454。2 计算空调负荷及选择主要设备参考常规空调建筑物冷热负荷的计算方法，计算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数(取0.8），得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择WPWD072型水源热泵机组2台,本设计举例工况下的 COP13.3，COP2 3.7.4.3 计算地下负荷根据公式(1）、（2)计算得kW kW 取夏季向土壤排放的热量 Q1 进行设计计算。4。4 确定管材及埋管管径选用聚乙烯管材PE63(SDR11)，并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25、DN32、DN40、DN50，如图1所示。4。5 确定竖井埋管管长根据公式（3)计算得m4.6 确定竖井数目及间距选取竖井深度50m，根据公式（4)计算得个圆整后取10个竖井，竖井间距取4.5m。4。7 计算地埋管压力损失参照本文2.6介绍的计算方法,分别计算1234567891011111各管段的压力损失，得到各管段总压力损失为40kPa。再加上连接到热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，所选水泵扬程为15mH2O.4。8 校核管材承压能力上海夏季大气压力o 100530 Pa，水的密度 1000 kg/m, 当地重力加速度g 9。8 m/s2,高度差h50.5 m 重力作用静压gh 494900 Pa 水泵扬程一半0.5 h7.5 mH2O73529 Pa 因此，管路最大压力 ogh0.5 h668959 Pa（约0。7Mpa)聚乙烯PE63（SDR11）额定承压能力为1。0MPa，管材满足设计要求。5 结论地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景，但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素（如地下热交换器的传热强化、土壤性质等)的研究还很有限，设计时大致可以遵循以下原则：(1）若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式；相反，若建筑物周围可利用地表面积有限,应采用竖直U型埋管方式.(2）尽管可以采用串联、并联方式连接埋管，但并联方式采用小管径，初投资及运行费用均较低,所以在实际工程中常用，且为了保持各并联环路之间阻力平衡,最好设计成同程式。(3)选择管径时，除考虑安装成本外,一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m（当量长度）以下,同时应使管内流动处于紊流过渡区。 参考文献：1 徐伟等.地源热泵工程技术指南。北京：中国建筑工业出版社,2001。11 2 谢汝镛.地源热泵系统的设计.现代空调，2