地埋管地源熱泵系統的設計及優化

地埋管地源熱泵系統設計及優化

上海富田空調冷凍設備有限公司地源熱泵事業部地埋管地源熱泵系統是利用地下巖土（土壤、巖石等）作為熱源或熱匯，它是由地埋管換熱系統與熱泵機組構成。

土壤溫度在地面15米以下溫度接近當地全年平均氣溫，常年保持恒定的溫度，遠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“的特性來制冷/供熱的節能中央空調，和利用空氣源制冷/供熱相比較，效率大大提高，且不受環境溫度影響。地埋管地源熱泵系統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3根據布置形式的不同，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：優點：在軟土地區造價低缺點：占地面積較廣，不太適合中國地少人多的國情。

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

優點：占地面積較小，工作性能穩定，缺點：造價相對較高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系統運行安全、穩定，不受環境影響不直接抽取地下熱水，有效避免環境問題的產生和對地熱資源的破壞能量夏存冬取，可循環利用節約一次能源，可節省大量煤、石油、天然氣等高品位的一次能源各級政府的大力支持以及資金補貼地埋管地源熱泵系統的優點7建筑能耗分析地埋管地源導熱系數、溫度鉆孔區域、埋管形式系統性價比大型復合式地埋管地源熱泵系統選擇應用方法冷熱負荷特點峰值冷熱負荷，運行時間累計冷熱負荷對供冷供熱能力的影響系統投資與運行費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？地質情況鉆孔費用其他便于利用的能源地埋管地源換熱器系統設計8地源熱泵設計任務資料收集及現場踏勘制定地源測試方案建筑能耗動態模擬計算場地勘測孔施工巖土層結構堪查巖土體熱響應測試試驗成果分析和報告撰寫使用專業軟件進行地下換熱系統設計和熱平衡模擬地源熱泵系統初步設計場地勘測孔施工與建筑、結構等各專業配合

地源熱泵設計工作程序框圖工程經驗修正91、建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，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。可以由下述公式計算：夏季制冷地埋管排熱量=冷負荷+地源熱泵壓縮機功率

[Q排=Q冷×（1+1/COP1）]

冬季制熱地埋管吸熱量=熱負荷-地源熱泵壓縮機功率

[Q吸=Q熱×（1-1/COP2）]

其中Q排——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q冷——夏季設計總冷負荷，kW

Q吸——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q熱——冬季設計總熱負荷，kWCOP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數

一般地，水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數，計算時應從樣本中選用設計工況下的COP1、COP2。地埋管地源熱泵系統設計的主要步驟

102、地下熱交換器設計

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型管串聯或并聯同程或異程絕大部分系統采用垂直埋管、單U型管、并聯、同程的地埋管換熱系統形式。

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、鉆孔數量、埋管面積計算在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為60～100W/m(井深)，或30～50W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

按夏季排熱量：總換熱管長度=夏季排熱量/單位孔深排熱量（上海地區約65W/m）按冬季吸熱量：總換熱管長度=冬季吸熱量/單位孔深吸熱量（上海地區約40W/m）鉆孔數量=總換熱管長度/鉆孔深度

埋管面積=單孔占地面積×鉆孔數量注：1、單位孔深換熱量以熱響應測試的測試值為準。

2、單孔占地面積與布孔方式及孔距有關，一般采用4m孔距菱形布孔。3、若埋管面積不夠或冷熱負荷無法平衡，地埋管可按冬季吸熱量進行設計，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，流體換熱時間越長；（2）管道越小，管道內保持紊流，流體與管道內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

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

4、要考慮地埋管系統的檢修（預留孔，或預留排查操作空間）

地埋管系統設計：前期設計都是建立在估算的基礎上，需要根據熱響應測試結果進行優化16

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