北京某生态园土壤源热泵空调系统设计施工及分析.docx
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北京某生态园土壤源热泵空调系统设计施工及分析
北京某生态园土壤源热泵空调系统设计、施工及分析
摘要介绍了土壤源热泵的类型、原理及特点,结合工程实例,并叙述土壤源热泵空调工程的设计和施工方法,分析利用实验丼的实测数据来确定土壤源热泵中的井位、丼数、取热量、散热量。
关键词机房设计土壤源热泵测试丼地埋管热平衡
0引言
地源热泵系统（groundsourceheatpumpsystem,是一种以土体,地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地源能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。
根据地热能交换系统形式的不同,地源热泵系统分为土壤源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
所谓土壤源热泵系统是利用地下换热盘管与土壤进行热交换,把大地作为热泵机组的低温热源和排热场所。
它由地下盘管和常规水源热泵机组组成,夏季供冷时,土壤作为排热场所,把室内冷负荷以及压缩机耗能通过地下换热盘管排入土壤中,再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。
冬季供热时,土壤作为热泵机组的低温热源,通过地下盘管获取土壤中热量,供给室内,亦即把土壤中夏季蓄存的热量重新释放出来,使大地热量基本稳定。
1建筑概况
此生态园位于北京市顺义区六元桥,总面积5700m2,分为两部分,其中生态园4100m2,配套楼1600m2。
生态园内种植名贵花卉,层高6.50m,配套楼为两层,为员工宿舍、餐厅及厨房,层高3.50m。
生态园采用风机盘管加新风,配楼为全风机盘管系统,热泵机房设在配套楼地下一层。
在2009年竣工夏季并投入使用,经过冬季最冷月份的测试,系统运行稳定。
2设计参数
2.1室外气象参数
2.2室内设计参数
3系统设计
3.1机房设计
本工程根据建筑冷、热负荷,主机采用地源热泵带部分热回收MDRB90H一台,制冷量1044kw,制热量887kw,热回收量130kw,冷却水泵、冷冻水泵各两台。
机房内设备为地源热泵MDRB90H型1台、系统循环水泵2台、地源侧循环泵2台、定压补水装置1套、φ500分集水器2台、补水箱1台、膨胀水箱1台、生活热水箱1台、生活热水循环泵1台。
供冷、供热工况转换由机房管路上8个阀门启闭来实现。
供冷时末端系统水流经机组蒸发器,地埋管系统水流经机组冷凝器;供热时末端系统水流经机组冷凝器,地埋管系统水流经机组蒸发器。
两套系统各有专用循环水泵。
（详见地源热泵机房流程图
本系统的地源侧的载冷剂为水,设计制热工况时机组蒸发器出水温度为5℃,进水温度为8℃。
如果机组蒸发温度要在0℃以下,要求地埋管系统循环水中要加防冻液,这必然提高了工程费用,同时对机房内金属管道及金属分、集水器要作相应的防腐处理。
此设备蒸发温度在0℃以上,避免蒸发器内发生冻结现象。
3.2地下换热器设计
根据现场情况,具备选用土壤源热泵的条件,又足够的打井面积。
地质构造非常复杂,目前还没有见到根据地质结构直接计算出取热量、放热量的数据和方法,所以采用单井测试设备,测试对象为外径32mm双U型换热器（1#1个,深度为150m;外径32mm单U型换热器（2#1个,深度为150m。
测试管材为PE100型,外径32mm,内径26mm,公称压力1.6MPa。
测试利用的是热反应实验法的原理,即通过向地下输入恒定的热量,进而监测土壤的温度响应来计算土壤热物性。
流体经过电加热器加热后,被送入到地下,由于加热后的流体温度高于地下土壤的温度,故热量通过管壁由流体向土壤放热,这样从地下再回到测试仪中的流体的温度就存在一定的变化,这就是地下土壤的温度响应。
通过记录地下换热器进出口的温度、水的流量及加热功率,经过数据的分析及计算后,就可以得出土壤的热物性参数及钻孔热阻。
电加热式热物性测试仪测试原理图
土壤热物性测试仪由加热器、微型循环水泵、温度传感器、流量变送器和主机（包括数据采集、处理、显示及打印输出等几部分组成。
主机上能自动显示仪器进、出水温度、瞬时流量、向地埋管的散热功率等。
打印机每隔一定的时间将测试数据打印,主要有测试时间、进出口水温、流量及加热功率。
温度测量使用PT1000温度传感器,测量误差小于±0.2℃;流量测量使用高精度电磁流量计,测量误差小于1%。
高精度的测量传感器保证了数据的准确可高性。
（1土壤平均导热系数计算原理介绍
地埋管换热器换热能力测试的数据分析是以地源热泵无限长线热源模型理论[1][2]为依据。
该理论可简述为:
假设输入的热量恒定,流体平均温度与时间对数存在一个函数关系,即:
（
（⎥⎦⎤
⎢⎣⎡-⎪⎭⎫⎝⎛-+
-+
=γαπλ22102104ln4rtHTTmcRH
TTmcTTppf式（1
该式可以简化后
（A
tkTf+=ln式（2
式中:
k-流体温度与时间对数曲线线性回归线的斜率;
A-常数。
从式（2可以看到,流体平均温度Tf与时间对数ln（t存在的函数关系为线性关系。
通过本次测试得到土壤的热响应数据,使用ORIGIN专业绘图软件进行曲线拟合,得出水温与时间对数的二维曲线图,该图符合式（2所述的线性关系,同时该曲线的斜率即式（2中的K值也就可以从函数图中得出。
从而依据式（3得到土壤的平均导热系数
（Hk
TTmcpπλ42
1-=
式（3
根据计算的土壤平均导热系数反过来模拟测试井平均水温,并与实测水温对比,发现模拟水温随时间的变化与实测水温随时间的变化基本一致,从而验证了土壤的平均导热系数计算的准确性。
（2土壤平均导热系数计算结果
附图（一为1号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、1号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。
附图（二为2号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、2号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。
从附图一、二中可以看出,循环水温度与时间对数的变化基本成线性关系。
根据拟合结果,模拟温度随时间的变化也与实测温度基本一致,因此使用线热源理论的计算结果与实际情况基本相符。
根据测试井温度的拟合曲线,得出K值,利用式-3得出土壤的平均热导率。
表1、表2为1号井、2号井土壤平均导热系数计算结果表。
表11号井土壤平均导热系数计算结果
表22号井土壤平均导热系数计算结果
11#井
Temp（o
C
ln（t
测试井温度与时间对数的拟合曲线图
Temp（o
C
Time（min
测试井实测水温与模拟水温对比图
22#井
Temp（o
C
ln（t
测试井温度与时间对数的拟合曲线图
Temp（0
C
Time（min
测试井实测水温与模拟水温对比图
首先假定单位井深满负荷运行时的换热量,带入程序试算,若计算结果中冬季地埋管最低进水温度低于4℃,或夏季最高进水温度高于35℃,需要改变满负荷换热量数值从新计算,直到满足夏季地埋管进水温度不高于35℃,冬季地埋管进水温度不低于4℃为止。
表3为1、2号井单井换热能力计算表。
表31、2号井单位井深冬夏季换热能力计算表
3.3、地埋管换热器换热能力测试数据综合。
通过实测数据进行整理分析,测得单井取热量为40W/m,单井放热量为75W/m。
考虑到只是单井试验,换热能力有可能衰减,所以取单井取热量为38/m,
单井放热量为73W/m比较符合此项目实际情况。
夏冬季地下换热量分别是夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。
夏季:
（
1
111=+=+='冬季:
（（KWCOPQQ6.6335
.31188721122=-=+='其中Q1'——夏季向土壤排放的热量,kWQ1——夏季设计总冷负荷,kWQ2'——冬季从土壤吸收的热量,kWQ2——冬季设计总热负荷,kW
COP1——设计工况下地源热泵机组的制冷系数,4COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数①根据夏季向土壤排放的热量所需井数:
井数1305÷（7.3×1.5=119.2②根据冬季从土壤吸收的热量所需井数:
井数633.5÷（3.8×1.5=111.2
由以上计算可以看出本工程夏季放热过程决定了地埋管换热器数量应为120个,考虑到保险系数,本工程实际施工数量为126个,竖直总深度为18600m,余富系数为5%。
3.4、井位的确定及管材选用
根据地源热泵系统工程技术规范,钻孔间距应满足换热需要,间距宜为3-6m。
参照其它工程实际经验,U型竖直井的水平间距为4.5m。
具体布置见室外地埋管布置图。
室外地埋管布置图根据给水聚乙烯（PE）管材标准及经验数据，地埋管系统采用高密度聚乙烯（HDPE）管具有可靠的连接性、良好的可挠性、较小的流体阻力及卓越的耐腐性。
主要材料为聚乙烯树脂。
此管材符合《给水用聚乙烯（PE）管材国家标准》GB/T13663-2000、《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005标准。
管材为PE100型，外径32mm，内径26mm，井孔内的U型弯采用双U头设置。
PE管在温度190℃-240℃之间将熔化，利用这一特性，将管材（或管件）两个熔化的部分充分接触，并保持适当的压力，冷却后两者便可牢固地融为一体。
因此，PE管地连接方式通常采用电熔连接及热熔对接两种方式。
4地埋管安装与施工地下埋管换热器施工前应对埋管场地的工程地质状况和地质剖面图进行研究，特别应注意是否有地下管线，以确定钻机型式和调整埋管布局，根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各管道的标高。
在主管沟末端要挖一个泥浆池，钻井过程中产生的泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积，可收集作为回填物之用。
4．1、钻孔钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。
保证钻孔施工完成后于孔壁保持完整，此施工区地层土质比较好，采用裸孔钻进。
孔径的大小略大于U型管11
与灌浆管组件的尺寸为宜，一般要求钻机的钻头的直径根据需要100mm—150mm之间，此钻机的钻头的直径130mm，钻进深度可达到150m。
4．2、下管下管是工程的关键之一，因为下管的深度决定采取热量总量的多少，所以必须保证下管的深度。
下管方法有人工下管和机械下管两种，下管前应将U型管与灌浆管捆绑在一起，在钻孔完毕后，立即进行下管施工。
钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少于L洞的有效深度。
为此，每钻完一孔，应及时把U型管放入，并采取防止上浮的固定措施。
对于U型管换热器，可采用专用的弹簧把U型管的两个支管撑开，以减小两支管间的热量回流。
下管完毕后要保证U型管露出地面，以便于后续施工。
4．3、灌浆封井灌浆封井也称为回填工序。
在回填之前应对埋管进行试压，确认无泄漏现象后方可进行回填。
正确的回填要达到两个目的：
一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。
为了使热交换器具有更好的传热性能，国外常选用特殊材料制成的专用灌注材料进行回填，钻孔过程中产生的泥浆的间距。
沉淀物也是一种可选择的回填材料。
回填物中不得有大粒径的颗粒，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等时，回填过程结束。
系统安装完毕，应进行清洗、排污，确认管内无杂质后，方可灌水。
4．4、换热器安装及管道联接U型管换热器应尽量采用成卷供应的管材，以利用单根管制作成一个埋管单元，减少连接管件。
管道连接有焊接、承插和活接头三种方法。
对于高密度聚乙烯（PE管段和管件之间的连接都采用专用设备进行热熔焊接。
对于埋深不大或场地允许时，应在地面把套管连接好，然后利用钻塔进行放管。
对于承插式连接，一定注意在活性胶干了之后才能使用。
活接头连接，优点是比较灵活方便，但造价较高。
一般的管道和套管中的内管，特别是壁厚小于3.5mm的塑料管，宜采用活接头连接以利12
于今后的检修。
4．5、施工中的几点体会（1对于壁厚≤3.5mm的塑料管，不宜采用焊接，应该使用活接头或承插连接。
（2对于壁厚>3.5mm的塑料管，宜采用焊接或采用活接头连接。
（3支管沟应在钻孔钻完后再开挖。
（4若换热器内管长度<10m，宜放入整条没有接头的管子;若>10m，则需采用承插或活接头方式进行连接。
（5泥浆池收集钻孔过程中产生的泥浆，经沉淀后是一种较好的回填物。
（6采用钻孔过程产生的泥浆回填，回填中必须慢慢地间断地进行，以确保钻孔壁与管壁之间用回填物充满，确保其传热效果。
5土壤热平衡从地源热泵系统的使用特点可以看出，地源的热平衡是保证系统成功持久运行的关键。
如果热平衡受到破坏，将使土壤温度发生改变（不论升高或降低），会严重影响若干年后的可靠使用，因此地源热泵系统的热平衡是能否成功的关键因素。
通过对全年地源热泵系统向土壤的排热量（主要包括夏季的建筑需冷量和热泵机组的耗电量）和全年系统从土壤中的取热量计算发现，就全年来说，系统夏季的排热量将大于冬季的取热量。
故本工程采用了带热回收的地源热泵机组，夏季利用制冷机的冷凝废热（这部分热量本来是要排到地下土壤中去的）来制取免费的生活热水，既免费得到了供住户使用的卫生热水，又减少了系统对大地的热排放，有利于解决该地区夏季放热量大、冬季取热量小的土壤热平衡问题。
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.[2]GB/T13663-2000，《给水用聚乙烯（PE）管材国家标准》.[3]北京工业大学热泵工程中心，地埋管热泵土壤热物性测试报告.[4]GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范.13
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