地源热泵系统设计及工程指导.ppt

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地源热泵系统设计及工程实例介绍目录第一节概述第二节地下换热系统设计第三节热泵机房及末端系统设计第四节工程实例第一节第一节概述概述本文所指的地源热泵系统包含浅层地下水源热泵系统和地埋管式地源热泵系统；本类系统主要由三部分组成：

1、水井、地埋管等地下换热系统安全可靠性、初期投资2、热泵机房系统满足负荷需求节能性3、室内末端系统室内使用效果末端设备末端设备冷凝器蒸发器膨胀水箱循环泵制冷剂液体膨胀阀压缩机制冷剂气体地表室外水井、换热孔t=4550t=5055t=1015t=57热热泵泵机机房房系系统统用用户户（末末端端）系系统统室室外外换换热热系系统统地源热泵系统组成地源热泵系统组成第二节第二节地下换热系统设计地下换热系统设计一、浅层地下水源热泵系统1、概述形式：

同井抽灌、异井抽灌目前的项目多目前的项目多采用异井抽灌采用异井抽灌适用范围：

地下水文地质条件比较好区域的项目设计时应遵循的原则：

地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计。

必须采取可靠的回灌措施，使抽取的地下水能够全部回灌，且不将受污染的水与未受污染的水混采和混灌。

地下水的持续出水量应满足水源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。

（1）收集地质、水文地质资料首先应收集项目地的地质、水文地质资料，结合项目负荷情况以及场地条件，初步判定是否能采用该系统。

规模较大、没有水井资料的项目，在设计前应钻试验水井，评价单井的出水能力和回灌能力。

22、设计程序及思路、设计程序及思路地下换热器的负荷与建筑物的供热、制冷及供生活热水的设计负荷有关，其换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式如下：

最大放热量Q1=建筑冷负荷（1+1/EER）

（1）最大吸热量Q2=建筑热负荷（1-1/COP）

（2）（注：

COP为机组制热性能系数，EER为热泵机组制冷性能系数，机组COP值与工况有关，在计算时应考虑地下水温度和末端形式。

）得出最大吸热量与最大放热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下所需地下水量，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，可采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。

（2）计算地下换热器的负荷（3）水量的确定根据供暖制冷工况下，水环路的最大放热量和最大吸热量计算。

初步估算流量时的可参照如下公式进行：

a、夏季制冷工况下：

q1=3600Q1/cp（t2-t1）（3）式中：

q1为夏季制冷时所需地下水量（m3/h）；Q1为夏季设计工况时换热器最大换热量（kw），据公式

（1）求得；为水的密度（kg/m3），可取1000kg/m3；cp为水的定压比热容，可取4.18kJ/（kg）；t1为进入机组换热器的地下水温度（）；t2为出换热器的地下水温度（）。

代入值公式简化为：

q1=Q1/1.163（t2-t1）例题某建筑夏季总冷负荷500Kw，机组EER为5.0，根据

（1）式计算Q1500（1+1/5）600（Kw）最大需水量计算为（温差为11）：

q1600/（1.16311）46.9（m3/h）该建筑物热泵系统夏季需地下水最大抽水量为46.9m3/h。

b、冬季供暖工况下：

q2=3600Q2/cp（t1-t2）（4）式中：

q2为采暖时所需地下水量（m3/h）；Q2为冬季设计工况时需要提取的热量（kw），据公式

（2）求得；为水的密度（kg/m3），可取1000kg/m3；cp为水的定压比热容，可取4.19kJ/（kg）；t1为进入机组换热器的地下水温度（）；t2为出换热器的地下水温度（）。

代入值公式简化为：

q2=Q2/1.163（t1-t2）例题：

某建筑物冬季热负荷500Kw，机组COP值4.0，根据

（2）式计算Q2500（1-1/4.0）375（Kw）最大需水量计算为（计算温差为7）：

q2375/（1.1637）46.1（m3/h）该建筑物热泵系统冬季需要地下水最大循环量为46.1m3/h。

由公式（3）、（4）计算地下水流量，取较大值46.9m3/h作为所需要的地下水流量。

（4）井深的选择抽灌水井的深度主要由项目所在地的水文地质条件、取水层位决定；水井的深度一般在100m左右，否则会导钻打井成本的升高。

如果地下水位埋深较浅，浅部有较好的含水层，如单层厚度大于5m的粗砂以上地层，也可以减少井深只取上部含水层的水，井深可在5060m之间。

（5）井径和井管井的直径可以为500800mm，井管直径一般为300500mm，一开到底。

井管可选焊接管或卷焊管，也可选铸铁管，不宜用水泥管，因为其使用寿命短。

滤水管可用打孔外缠丝钢管或桥式滤水管。

（6）滤水管的位置钻孔后应进行电阻率和自然电位或自然伽玛测井，根据测井曲线解释的含水层位置决定排管方案。

一般取水井水位以下15或20m之内不应下滤水管，一是考虑动水位的下降，二是考虑留出潜水泵的长度和位置，避免抽空和进水口距滤水段太近（应大于2m）。

井内其它滤水管的位置要视含水层的分布情况而定，一般选井内较厚的、颗粒较粗的23层为主力水层。

粉细砂和较薄的水层（12m）不宜保留，以免造成出砂等后患。

专用的回灌井应下有回扬泵，其它要求同抽水井。

（7）井数的考虑要用较少的井完成需要的取水量，单井的出水能力以5m降深考虑。

由系统所需最大水量除以单井出水量得到抽水井数。

回灌井数量应根据各地水文地质条件确定，一般应等于或多于抽水井数量。

根据水源热泵供暖的特点，可以采用适当提高利用温差的方法减少地下水的用量。

提高利用温差的方法有多机组串联用水和单机混水法或板换隔离法。

（8）其它井间距：

井间距应根据各地水文地质条件确定，一般不小于50米；水平连接管：

目前的设计中一般都将每眼水井均设计为可抽灌互用型，在水平连接管的设计上一般都采用双管路系统，通过阀门的切换实现水井功能的转换。

在项目实施时，每眼水井在完井后均应做抽水试验和回灌试验，结合试验数据对设计做进一步校正。

第二节第二节地下换热系统设计地下换热系统设计二、地埋管热泵系统1、概述形式：

水平埋管、垂直埋管水平埋管因占地面积大、受气候影响大水平埋管因占地面积大、受气候影响大等缺点，目前应用较少。

而竖直埋管因等缺点，目前应用较少。

而竖直埋管因其占地少、工作性能稳定等优点，已成其占地少、工作性能稳定等优点，已成为工程应用中的主导形式。

为工程应用中的主导形式。

优点：

（1）不依赖地下水，适应区比较广。

（2）该系统不抽取地下水，不干扰地下水管理。

（3）换热层位多，适用范围大，热储量较大。

（4）系统运行维护工作少。

缺点：

（1）通过管壁传导换热，而管内外的温差一般不大，因此，需要较大的换热面积，从而造成系统初投资较大。

（2）随着机组负荷的变化，管中水的温度不稳定，造成工况不稳定和热量损失，在极端天气条件下机组的性能系数较低。

（3）与地下水换热系统比运行费用稍高。

适用范围及优缺点（与浅层地下水源热泵相比）设计时应遵循的原则：

地埋管换热系统应根据地质、水文地质勘察资料以及土壤的热物性参数进行设计。

地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。

（1）工程勘查，地层热物性测试在系统的设计初期，应对工程场地进行工程地质勘查，包括岩土体热物性、岩土体温度随深度和季节的变化、地下水分布情况及动态特征、冻土层厚度的勘查。

如项目所在地区有岩土体热物性参数时，可直接应用，否则应采用现场热响应法进行测试。

2、设计程序及思路热响应测试原理：

将地埋管换热器与加热/制冷设备（测试仪器）连接，通过向地下输入热量，模拟夏季制冷工况；通过向地下输入冷量，模拟冬季采暖工况。

在向地下输入冷、热量的同时，不断记录进出管的温度和流量，来计算地层的换热能力（地层导热系数K、单位延米换热孔换热量w/m）热响应测试的方法：

恒热流测试法可控工况测试法热（冷）响应测试车原理简图热响应测试热响应测试

（2）计算地下换热器的负荷负荷与建筑物的供热、制冷及供生活热水的设计负荷及系统运行所需要的能量负荷有关。

换热器的换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式同

（1）、

（2）。

地埋管换热器需要510的换热温差，冬季取热时管内液体的平均温度比地层温度低510，夏天可高1020，以管内设计温度确定机组的COP值。

计算得出最大吸热量与最大释热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下换热器埋管的长度，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，宜采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。

（3）地埋管换热器埋管形式的选择埋管形式可以分为如下几种：

水平埋管垂直埋管单U型双U型（比单U提高15%的换热量）垂直埋管布孔形式等间距布孔（正方形布孔）梅花型布孔（等边三角形布孔）（4）埋管长度的确定根据计算的负荷、岩土层热物性参数、所选的地理管形式及热泵参数，通过软件模拟的方法，计算得出埋管总长度。

目前实际工程中，常利用单位埋管深度的换热量来计算换热管的长度，一般垂直埋管的单位深度换热量为3070W/m（利用温差为1015）之间，放热大于吸热。

该数据需要通过热响应测试获得。

埋管长度可按如下公式计算：

L=1000Qmax/ql（5）式中：

L为埋管换热器总长（m）；ql为最大利用温差的每米换热功率（W/m），一般由接近实际工况的现场换热试验取得；Qmax为夏季向埋管换热器排放的最大功率与冬季从埋管换热器吸收的最大功率中的较大值（KW）上述计算地埋管换热器管长的方法，适用于最大吸热量与最大放热量相差不大的工程，设计长度选两者中较大的。

如两者相差较大，宜用较小值确定管道的长度，两者相差的负荷采用辅助设备的方式解决，如增加冷却塔或辅助热源。

这样一方面减少工程量，降低初投资；另一方面也可减少因吸热与放热不平衡引起岩土体温度的持续变化的可能性。

（5）孔深、孔径、孔数、孔间距的确定换热孔深度的确定：

结合现场的地质条件与钻机的经济钻进深度，一般基岩地层钻进深度不超过120米，第四系地层一般不超过150米。

结合现场可布设换热孔的面积，面积大则选择的余地大，面积小则选择的余地小。

换热孔直径的确定：

结合现场的地质条件，一般第四系地层，尤其是粘土含量大、缩径严重地层换热孔的直径会比较大；一般基岩地层换热孔的孔径相对较小。

结合布管形式，一般双U型比单U型的孔径大。

第四系地层一般在180300mm之间，基岩地层一般在100-180之间。

换热孔数量的确定：

N=L/H式中：

N为钻井数（个）；L需要的换热孔的总长（m）；H为换热孔单孔深度（m）；换热孔间距的确定：

场地条件：

场地有限可适当减小间距。

热干扰半径：

地层导热性好，热传递快，单个换热孔的换热能力高，热扩散半径大，孔间距大；相反则小。

施工成孔率：

目前换热孔施工的钻机的控斜能力不强，换热孔很容易倾斜，当孔间距较小时，容易造成穿孔。

换热孔深度大，间距可适当加大，相反则小。

应综合考虑以上三方面因素，确定换热孔的间距，一般在37米之间。

换热管选择换热管材料和规格：

主要有PE80和PE100两种材料的管材，垂直管一般采用SDR11系列的管材，水平连接管一般采用SDR17系列的管材换热管直径：

垂直埋管双U型一般采用D25与D32的PE管，单U型的一般采用D40的PE管；水平连接管的直径根据管内流量进行选择。

孔深、孔间距、孔数、管材等要综合考虑，使其既能满足现场条件的要求，又能满足系统对换热孔冷、热量的需求。

（6）确定流速加大流速可以增强换热，但过快的流速会增大管道沿程阻力损失，增大水泵的用电消耗。

根据地埋管换热器的布置形式和采用的换热液特征，应使换热液处于紊流状态，流态形式主要通过雷诺数Re来进行判断：

Re2000为层流2000Re4000为紊流Re具体计算过程具体计算过程

（1）确定通过管道的流量Qv（m3/h）、管子公称直径和液体特性；根据公称直径，确定管子的内径Di（m）。

（2）计算管子的断面面积A（m2）。

（3）计算流速（m/s），=Qv/3600A。

（4）计算液体的雷诺数Re，Re=Di/一般，D32双U型管路流量取12m3/h，流速0.260.53m/s，雷诺数Re519510389（7）环路形式的选择各个换热孔之间有串联和并联两种连接方式串联串联方式：

几个换热孔之间串联成一个流动通道。

该种方式主要用于换热孔深度较浅，单孔换热量