关于地源热泵系统设计

摘要：地源热泵是一种以土壤、地下水作为低温热源的热泵空调技术。其原理是依靠消耗少量的电力驱动压缩机完成制冷循环，利用土壤温度相对稳定（不受外界气候变化的影响）的特点，通过深埋土壤的环闭管线系统进行热交换，夏天向地下释放热量，冬天向地下吸收热量，从而实现制冷或供暖的要求。

关键词：地源热泵；特点；系统设计；热换器

中图分类号：TU318；文献标识码：A ；

一、地源热泵简介、特点

1、地源热泵的定义

地源热泵是以地球表面浅层土壤作为热源（热汇），将传统空调的冷凝器（或蒸发器）中需要排放（或吸收）的热量通过中间介质（通常是水）作为载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行冷热交换的目的。

2、 地源热泵的特点

（1）高效节能

以地表水、浅层地下水以及土壤等低品位热量为冷热源，能量来源稳定可靠，运转效率比常规家用空调高 40% 以上，投入 1kw 电能可以平均获得 4.0kw 以上的冷量或热量。

（2）一机多用

针对高端客户，专门开发了带热水罐的机组。机组采用独特的热水回收技术，夏季制冷、冬季供暖，在制冷的同时，免费加热生活热水。

（3）环保安全

系统运行过程中，没有任何气态、液态、固态污染物排放，也没有废热、 废水损失。整个系统全封闭循环，不会造成对土壤和地下水的污染，可实现使用区域零污染。

（4）初始投资低

因其多功能的特性，其初始投资与同样满足供暖、制冷和生活热水条件的其它系统所需投资相当，甚至更低。

（5）运行费用低

机组利用浅层地热能，使机组的制冷 cop 值高达 5 以上（制热 cop 大于 3.5 ），远远大于普通风冷空调。运行费用比传统空调节省 40～60% 。

（6）占地面积小

机组体积小，且省去冷却塔和锅炉，机房面积小，可以充分利用楼梯间的空间安装。

（7）应用范围广

可广泛应用为写字楼、商场、景观、住宅、公寓、学校、体育馆、医院、工厂等场所的舒适性空调及满足特定要求的工艺性空调。

二、地源热泵系统设计

地源热泵系统主要由地源热泵机组、土壤型换热器、膨胀水箱、循环水泵、室内风管、水管等组成。

1.地源热泵系统室内风系统设计

根据格局特点考虑到对噪音和吊顶等方面的要求，同时保证系统的能效比高的特殊要求，本方案选用水-水热泵主机系统以保证空调机组的集中管理。室内采用风机盘管（本方案未考虑新风处理系统）。根据房间大小配置相应的风机盘管。地源热泵机组安装在空调机房，通过水管给室内风机盘管提供热源。

2.地源热泵系统室内水系统设计

水系统设计为两管制异程循环管，冷热水供回水温度为7/12°C和45/40°C。每个风机盘管供水管上都装有过滤器，部分回水管上装有电动二通阀。立管最高点装有自动排气阀。分、集水器分别装有温度表和压力表。分集水器、水泵、闭式膨胀罐等均安装在机房内。

3.地源热泵中央空调地下埋管式换热器系统设计

地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。东北地区属于“夏热冬冷”地区，近几年最热月平均气温已达到30°C，最冷月平均温度气温为-20°C左右。最冷月与最热月平均相对湿度分别为75%、83%。高于35°C的酷热天气长达半个月至一个月，日平均温度低于5°C天数长达两个月以上。因此每年传给土壤的冷热量基本相同，能充分发挥土壤蓄能的作用，适合于地源热泵系统。

地源热泵的地下换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤的类型、热性能、热传导、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。根据该项目提供的地质勘测报告，提供该地区的土壤特性、地质结构等特点，计算土壤性质分析单位管长的换热器能力。具体设计步骤如下：

1）计算地下换热器的最大换热量

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中吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量

Q1'= Q1 *（1+1/COP1）

Q2'= Q2 *（1-1/COP2）

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'：冬季向土壤吸取的热量，kW

Q2 ：冬季设计总冷负荷，kW

COP1：设计工况下水源热泵机组的制冷系数，取4.7

COP2：设计工况下水源热泵机组的供热系数取4.96

因为夏季向土壤中排放的热量大于冬季从土壤中吸取的热量。正常情况下，考虑整个系统全部采用地源热泵形式制冷/热量，地埋管考虑以夏季向土壤排放的热量Q1进行计算。

2）竖井埋管管长

竖井埋管管长度取决单位埋管的换热能力，计算公式如下：

L= Q1'X1000/W其中：L：竖井埋管总长，m

Q1'：换热器最大换热量，kW

W：单位管长换热量，w/m

单位管长换热量与地质结构成分有密切关系，而且各地质层传热性能各有差异，在建立模型计算方面比较困难，而且也存在一定的误差，故在此项目我们根据以往在该地区的工程经验来计算单位管长的换热量，并参照国际地源热泵协会的模拟软件运行，综合上述方法给出该方案的单位换热量的为35w/m，故竖井管长为：4480m

3）确定竖井数目及间距

竖井深度多数采用50～100m，根据工程的地质料现场条件，考虑该项目竖井打80m较为合理。（如果地下有岩层或其他硬物，则需另外考虑）。我们下列计算竖井数目：

N=L/2 X H 其中：L：竖井埋管总长，m

N：竖井总数，个

H：竖井深度，m 4.地埋管部分材料

包括：PE管部分（包括弯头、U型弯等管件）

回填膨润土及其辅助材料

PE管安装和填膨润土

地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

三、换热器换热量的选取

地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组释放到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水中的总热量。即：

最大释热量=Σ[空调分区冷负荷×(1+ EER)]+Σ输送过程得热量+Σ水泵释热量 （1）

本项目场地的垂直双U 型埋管单孔深排热量按58W/m计；取热量按34W/m计。

地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前两项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：

最大吸热量=Σ[空调分区热负荷×(1−1/COP)]+Σ输送过程失热量−Σ水泵释热量（2）

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。

根据公式（1）和（2）可以得出最大释热量为2239kW，最大吸热量为1233kW。

2.4.2 换热井数的确定

（2）

其中：Q 为最大释热量或最大吸热量，q 为夏季或冬季单井换热能力，H 为单井井深。

本工程以夏季最大释热量为计算基准，故室外地源井共需300口，井深130m，采用双U 管，管道规格为D32×3.0PE，竖井管道承压1.6MPa，地面下水平管道（二级分集水器水平连接管）承压1.0MPa，井间距为4.5m×4.5m。

参考文献：

[1]地源热泵系统工程技术规范（GB 50336-2005）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2005

[2]李新国，赵军，朱强. 地源热泵供暖空调的经济性[J]. 太阳能学报.2001，22（4）： 418-421

[3]曲云霞，方肇洪，张林华等.太阳能辅助供暖的地源热泵经济性分析[J].可再生能源. 2003，（1）： 8-10

[4]范蕊. 土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2006