地源熱泵技術及設計方法

文/李冬梅、鄭華 北京炎黃聯合國際工程設計有限公司 北京 100190

地源熱泵技術及設計方法

文/李冬梅、鄭華 北京炎黃聯合國際工程設計有限公司 北京 100190

隨著地源熱泵在國內外的研究和應用的日益廣泛，它的節(jié)能應用特性受到了越來越多的關注，它的適用性和局限性也成為眾多學術研究人員及工程技術人員的廣泛關注，而其具體的設計方法也成為設計人員爭論的焦點。本文結合實際工程經驗對此進行探討。

地源熱泵；技術；設計

With the externsive research and application of GSHP(Ground-source heat pump) technology,its energy saving characteristics have received more and more attention,and its applicability and limitations have become the focus of attention for many academic researchers,designers and engineers. So the specific design method has also become the focus of controversy for designers.The paper discussed the design method of GSHP based on practical engineering experience.

暖通空調業(yè)的發(fā)展為人類創(chuàng)造了良好、舒適的工作和生活環(huán)境，同時也消耗了大量的礦物燃料，破壞了生態(tài)環(huán)境、造成空氣污染，人類對環(huán)境的破壞和污染讓人心痛，頻繁的霧霾已嚴重影響了大家的正常生活。因此對暖通空調在采用新能源、新技術方面進行改造與創(chuàng)新，已成為全人類的新任務。

1、地源熱泵系統介紹

地源熱泵系統就是一種以地球淺表層蘊藏的淺層地能（包括地下水、土壤、地表水等）為低品位熱能，通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低品位熱能向高品位熱能的轉移，改變溫度，進而實現對建筑物冬季供暖、夏季供冷的目的。淺層地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源，在夏季作為熱泵供冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去，供給室內制冷。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。

地源熱泵環(huán)境系統采用豎直地埋管土壤換熱器地能采集系統，它與傳統熱泵系統相比，更安全、更穩(wěn)定，即不會受地下水位變化的影響，也不會對地下水和地質結構造成任何損害。

2、地源熱泵環(huán)境系統設計方案

以山東省某小區(qū)實際工程為例，住宅區(qū)冬季熱負荷9276KW,住宅區(qū)夏季冷負荷12368KW。

地源熱泵系統由三部分組成：能量采集系統、能量提升系統、能量釋放系統。

2.1 能量采集系統

能量采集系統是地源熱泵環(huán)境系統的重要組成部分，就如同鍋爐系統中燃氣、油等燃料。能量采集系統的選擇與項目所處地理位置的地質情況息息相關，本次設計采用豎直地埋管土壤換熱器系統的換熱方式。

豎直地埋管土壤換熱器系統的換熱方式為兩管制垂直式地耦管換熱方式，即打一定深度、一定數量的豎孔，每個孔內埋設一對雙U型地耦管，所有的地耦管通過集水管路匯集并在管道末端設置循環(huán)泵，與室內熱泵機組的換熱器形成一個閉式系統，通過中間介質（通常駐為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質在埋設于土壤內的封閉環(huán)路（地壤換熱器）中循環(huán)流動，從而實現與大地土壤進行熱交換的目的，最終將提取的淺層地能供給能量提升系統。

（1）豎直地埋管土壤換熱器系統形式：

為了充分利用場地面積和保證足夠的換熱量，豎直地埋管土壤換熱器形式采用雙“U”型地埋管，豎直地埋管采用高密度聚乙烯管PE100、管材公稱壓力為1.6Mpa，外徑為DN32，壁厚3mm，工作溫度為-20℃～50℃。高密度聚乙烯管PE100具有低溫抗沖、抗磨損、連接可靠、導熱系數高等特點。

豎直地埋管土壤換熱器安裝完畢后，需要對豎孔進行回填，保證換熱器與土壤的換熱效率，所以回填是豎直地埋管的重要環(huán)節(jié)。回填材料介于豎直地埋管與鉆孔壁之間，用于增強埋管和周圍巖土的換熱，同時防止地面水通過鉆孔向地下滲透，以保護地下水不受地表水污染物的污染，并防止各個蓄水層之間的交叉污染。參照《地源熱泵系統工程技術規(guī)范》，本工程設計回填材料采用原漿和細紗的混合漿，確保鉆孔灌漿密實，無空腔，換熱系數高。

（2）豎直地埋管土壤換熱器數量設計計算：

1）依據相關山東建筑大學地源熱泵研究所對本地塊測量提供的《巖土熱響應測試報告》。確定De32管徑的雙“U”地埋管冬季每米的換熱量約為45 W，夏季換熱量約為65 W。

2）豎直地埋管土壤換熱器鉆孔長度計算

所需的土壤換熱器鉆孔長度為：

1.冬季供熱工況：

按照120m孔深，5.0m間距進行設計，布孔數為1885個，豎直地埋管土壤換熱器管道總長度22620m，滿足工程冷、熱負荷需求。

按照120m孔深，5.0m間距進行設計，布孔數為388個，豎直地埋管土壤換熱器管道總長度46560m，滿足工程冷、熱負荷需求。

（3）豎直地埋管土壤換熱器的布置：

豎孔可以布置在小區(qū)綠化空地上，另外也可以安置在行人道，地下室車庫地面等地方，盡量避免安置在承重路，或者市政管線其中的地方，減少由于其他工程的實施，造成對豎孔的破壞。施工時注意避開場地內其它管線，豎直地埋管設計鉆孔直徑不小于150mm，鉆孔間距為5米。地埋管中水流速：保證在0.4～0.6m/s之間，地埋管內流體保持紊流流態(tài)，并確保系統及時排氣，保證換熱器的換熱效率。

（4）豎直地埋管土壤換熱器水平外線：

1）連接方式：地埋管換熱器設計采用同程并聯方式，流體流過各埋管的流程相同，各埋管的流動阻力、流體流量和換熱量比較均勻，可用較小管徑的管子，因此成本較低。地埋管換熱器供、回水分別集中到總管匯入機房內接入地源側水泵。

2）水平干管：水平干管供回水管間距為0.6m，埋深為2.0m左右，溝槽寬度為1～1.2m。水平PE管鋪設坡度保證為0.2%，局部下凹保證不大于2倍的水平管徑。

3）管道連接：選用成品管件連接。

2.2 能量提升系統

（1）冷熱源主機確定：

根據本工程冷熱負荷，設計選用7臺某品牌地能熱泵主機滿足建筑冬季供暖、夏季制冷的要求。冷熱源主機工況如下：

制熱工況：蒸發(fā)器進出水：15/10℃，冷凝器進出水：40/45℃，制熱量1950KW，輸入電功率450.1KW。

制冷工況：蒸發(fā)器進出水：12/7℃，冷凝器進出水：25/30℃，制冷量1780KW，輸入電功率334.0KW。

（2）冷熱源主機運行配置：

冬季開啟5臺地能熱泵主機為建筑供暖。

夏季開啟7臺地能熱泵主機為建筑供冷。

2.3 能量釋放系統

能量釋放裝置設于建筑內，其主要功能是將提升后的能量釋放至環(huán)境內。本工程住宅樓末端夏季采用風機盤管為建筑制冷，冬季采用地板采暖系統為供暖。

結語：

通過實際工程的設計與運行，地源熱泵環(huán)境系統技術的優(yōu)勢：

1）高效節(jié)能、美化建筑

地源熱泵環(huán)境系統比傳統空調系統運行效率要高約30－50%；全年的運行費用要比熱網集中供熱或燃煤供熱系統降低20－60%。

地源熱泵環(huán)境系統不需鍋爐，也不需家用空調外機，使建筑與環(huán)境更加賞心悅目。

2）綠色環(huán)保、一機多用

地源熱泵環(huán)境系統省去鍋爐和鍋爐房，全年僅采用少量電力這種清潔能源，徹底解決了鍋爐造成的大氣污染的問題。由于提高了能源的利用效率，大大減少了由于建筑供熱空調產生的CO2的排放量，系統運行時沒有任何固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)污染物的排放。同時避免了地下水源熱泵系統可能造成的對地下水的浪費和污染。它是一種清潔的可再生能源，具有極大的環(huán)境效益。

地源熱泵環(huán)境系統可冬季供暖、夏季供冷，一機多用，結構緊湊、節(jié)省建筑空間。

[1]地源熱泵系統工程技術規(guī)范.中華人民共和國國家標準.

[2]恒有源地源熱泵應用技術規(guī)程《企業(yè)標準》.

李冬梅（1976.12），女，工學學士，工程師；北京炎黃聯合國際工程設計有限公司。