地源热泵的计算.docx

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地源热泵的计算

目录

摘要

1地然热泵介绍………………………………………………………………………………………………………………………1

1.1热源3

1.2组成部分3

1.3主要特点3

1.4形式4

1.5可再生性5

1.6高效节能5

1.7优点7

1.8工作原理8

热泵原理9

热泵分类9

1.9系统类型10

1.10应用方式11

1.11制冷原理12

1.12制热原理12

1.13存在问题12

2土壤源热泵系统设计的主要步骤……………………………………………………………………………………13

2.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算…………………………………………………………14

2.2地下管道设计…………………………………………………………………………………………………………14

2.21 选择管材………………………………………………………………………………………………………………15

2.22确定管径…………………………………………………………………………………………………………16

2.23 确定竖井管……………………………………………………………………………………………………16

2.24 确定竖井数目及间距……………………………………………………………………………………17

2.25 计算管道压力损失………………………………………………………………………………………17

2.26 水泵选型………………………………………………………………………………………………………17

2.27校核管材承压力……………………………………………………………………………………………18

3 其它………………………………………………………………………………………………………………………………184 设计举例…………………………………………………………………………………………………………………………19

4.1 设计参数………………………………………………………………………………………………………………20

4.1.1 室外设计参数…………………………………………………………………………………………………21

4.1.2 室内设计参数…………………………………………………………………………………………………21

4.2 计算空调负荷及选择主要设备………………………………………………………………………………21

4.3 计算地下负荷………………………………………………………………………………………………………22

4.4 确定管材及埋管管径…………………………………………………………………………………………22

4.5 确定竖井埋管管长………………………………………………………………………………………………22

4.6 确定竖井数目及间距………………………………………………………………………………………………22

4.7 计算地埋管压力损失……………………………………………………………………………………………22

4.8 校核管材承压能力…………………………………………………………………………………………………22

5参考文献……………………………………………………………………………………………………………………23

摘要

随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。

地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。

冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。

相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。

土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。

地下水热泵系统分为开式、闭式两种：

开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。

地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。

虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。

国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。

目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源（如电能）实现由低品位热能向高品位热能转移。

通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4.4kWh以上的热量或冷量。

1地然热泵的介绍

"地源热泵"的概念，最早在1912年由瑞士的专家提出，而这项技术的提出始于英、美两国。

北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。

由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义

1.1热源

地源热泵已成功利用地下水、江河湖水、水库水、海水、城市中水、工业尾水、坑道水等各类水资源以及土壤源作为地源热泵的冷、热源。

1.2组成部分

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：

室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

其中地源热泵机主要有两种形式：

水—水式或水—空气式。

三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

3主要特点

（1）地源热泵技术属可再生能源利用技术。

由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。

它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。

这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

（2）地源热泵属经济有效的节能技术。

其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。

[1] 

（3）地源热泵环境效益显著。

其装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

（4）地源热泵一机多用，应用范围广。

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、

水力平衡分配器

（5）地源热泵空调系统维护费用低。

地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。

由以上的特点可以看出，地源热泵的技术以后可得到广泛的应用。

然而，地源热泵要实现制冷制热，则需要给它提供动力来输送制冷制热管道中的循环水，传统机房可提供动力，但施工起来比较复杂，难度高，周期长，采购的材料种类多，需库存，漏水隐患大等等问题，针对此，市场上开发了一款新型的动力输配系统设备-----节能空调机房。

此机房系统是将传统机房中的所有部件进行集成模块化，实行一体化安装的模式。

不仅在施工难度上大大降低了，而且无需库存，漏水隐患大大降低了，还能与主机进行无限联动等等，由此可以看出，节能空调机房实为一款为暖通行业提供一整套的解决方案.

总而言之，节能空调机房、水力平衡分配器、多功能水箱与地源热泵的结合为整个暖通系统增加亮点，同时在安装上便捷了很多，施工时间、采购周期都大大缩短了，人工成本也将低了等等。

由此可见节能空调机房与地源热泵的配合是未来暖通行业必然的发展趋势。

4形式

地源热泵

水源/地源热泵有开式和闭式两种。

开式系统：

是直接利用水源进行热量传递的热泵系统。

该系统需配备防砂堵，防结垢、水质净化等装置。

闭式系统：

是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能量的封闭系统。

闭式系统不受地下水位、水质等因素影响。

1、垂直埋管--深层土壤

垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。

垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。

垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各个国家的政府部门大力支持。

2、水平埋管--大地表层　在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。

水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。

3、地表水

江、河、湖、海的水以及深井水统称地表水。

地源热泵可以从地表水中提取热量或冷量，达到制热或制冷的目的。

利用地表水的热泵系统造价低，运行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和国家政策（如取深井水）的限制。

1.5可再生性

地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量）；它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。

1.6高效节能

地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度

表一

高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30--40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普

表二

通中央空调的50～60%。

因此，近十几年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

表一：

地源热泵与其它加热方式相比的能源消耗情况比较：

比较后可得出地源热泵是所有加热方式中最节约能源的。

表三

表二：

地源热泵空调系统与传统的中央空调系统各方面的特点相比：

地源热泵空调系统在各方面都比传统空调系统表现优秀。

表三：

300平米别墅，供暖季供暖和生活热水运行费用与其它供暖方式相比：

注：

表三研究对象为北京的一套高档别墅，面积为300平米。

各种价格参数取自市政府相关部门发布的《2004年度北京能源利用报告》，以及《2006年度北京能源利用报告》，2个年度的能源价格变动较大。

本表按用户每天运行15小时，一个采暖季计算。

1.7优点

环境和经济效益显著

地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。

地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。

一机多用，应用广泛

地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。

地源热泵有着明显的优点。

不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

维护费用低并可无人值守

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，其系统不是埋在地下就是安装在室内，不暴露在风雨中，机组紧凑、节省空间，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

自动控制程度高，可无人值守、远程管理，无需雇佣人员看管。

地源热泵远程监控系统

污染小

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少38%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排节能减排是减少能源浪费和降低废气排放更多。

维护简单

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

寿命长

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年,要比普通空调高35年使用寿命。

维持生态环境平衡

地源热泵夏天把室内的热量排到地下，冬天把地下的热量取出来供室内使用，相对来说，向环境排放更少的能量，维持生态环境的平衡。

节省空间

没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。

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。

1.8工作原理

在自然界中，水总是

地源热泵系统原理

由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。

人们可以用水泵把水从低处抽到高处，实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温。

所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。

地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。

利用极小的电力来维持室内所需要的温度。

在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。

在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。

而地下获得的能量将在冬季得到利用。

如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。

以最小的低价获取了最舒适的生活环境。

热泵原理

热泵机组装置主要有：

压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质（制冷剂或冷媒）不断完成：

蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。

压缩机（Compressor）：

起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器（Evaporator）：

是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器（Condenser）：

是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀（ExpansionValve）或节流阀（Throttle）：

对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

热泵分类

热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中吸热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷

源。

蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。

热泵根据与环境换热介质的不同，可分为：

水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。

空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。

但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。

在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，普通空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下、新出了一

地源热泵供暖原理图

款超低温空气源热泵专门针对华北地区的，超低温空气源热泵稳定性好，效率高，具有高效除霜功能。

利用水或地热作冷热源的热泵，称之为地源热泵。

水和地热是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般地源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但地源热泵的应用常受到水源或地热的限制。

地源热泵系统按其循环形式可分为：

闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。

对于闭式循环系统，大部分地下换热器是封闭循环，所用管道为高密度聚乙烯管。

管道可以通过垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺处，也可以置池塘的底部。

在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；¨对于开式循环系统，其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点；对于混合循环系统,地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。

工作原理

地源热泵则是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

左图为开式地源热泵系统。

右图为冬季地源热泵供暖原理图。

空气源　水源　土壤源

1.9系统类型

1.水平式地源热泵

水平式地源热泵

通过水平埋置于地表面2～4M以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。

此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。

该系统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。

2.垂直式地源热泵

通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M～400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。

此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。

该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小。

3.地表水式地源热泵

地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。

此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。

它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。

但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。

4.地下水式地源热泵

地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。

地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。

此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。

1.10应用方式

地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

家用系统

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

集中系统

热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

分散系统

用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。

一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于独立热计量要求。

混合系统

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

1.11制冷原理

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。

通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。

在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器，以13℃以下的冷风的形式为房供冷。

1.12制热原理

在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。

由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。

地源热泵将地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。

1.13存在问题

目前地源热泵的技术存在的最大不足是“土壤热不平衡”的问题

。

南方地区以供冷为主，常年向地下注入热量；而北方地区冬季供暖需求大，从土壤中大量吸热，长年运行后将导致土壤温度失衡，影响周围生态。

夏热冬冷地区的夏季供冷量往往大于冬季供热量，多出的热量可通过冷却塔散去，也可通过余热回收系统，用于供应生活热水，从一定程度上缓解土壤热不平衡的问题。

其次，地源热泵应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约；打井埋管受场地限制比较大，必须有足够的面积用于打井和埋管；设计及运行中对全年冷热平衡有较大要求，要做到夏季往地下排放的热量与冬季从地下取用的热量大体平衡。

2土壤源热泵系统设计的主要步骤

2.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算

建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。

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吸收的热量。

可以由下述公式[2]计算：

一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2 。

若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。

2.2地下管道设计

这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。

（在下文将具体叙述）

2.21 选择管材

一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。

常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。

所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。

目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。

2.22确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：

（1）管道要大到足够保持最小输送功率；

（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。

显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。

一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下[1]。

2.23 确定竖井埋管管长

地下热交换器