地源热泵系统设计应用手册.docx
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地源热泵系统设计应用手册
地源热泵设计应用手册⑴
0 序言
国家大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源——地源能的发展利用，相继出台了一
系列法规和政策。
①《中华人民共和国节约能源法》第 4 条规定：
“国家鼓励开发利用新能源和可再生
能源”，而地源热泵所使用的地源能正是属于可再生能源。
②建设部《民用建筑节能管理规定》第 4 条规定：
“国家鼓励发展太阳能、地热等可
再生能源的应用技术和设备”。
③国家经贸委《2000—2015 年新能源和可再生能源产业发展规划要点》指出：
“加快
地源热泵技术的引进和发、加速国产化。
要大力开拓地热采暖市场，到 2005、2010、2015
年地热采暖面积分别达到 1500 万、2250 万 3000 万平方米。
要积极推动地热的综合利用”。
④《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JG134—2001，J116—2001）第 6.0.7 条：
“具备可供地热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。
”
⑤《建设部建设节能“十五”计划纲要》中明确指出“十五”期间建筑节能工作的重
点之一是：
“大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中
利用的工作”。
⑥《建设部建设节能“十五”计划纲要》中列出的 18 项拟重点开展的科技项目其中的
第 13 项指出：
“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。
⑦国家发展改革委办公厅 2005 年《关于组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专
项的通知》（发改办高技[2005]509 号）中专项的主要内容第（三）项列出“太阳能供热和
地源热泵供热（制冷）。
开展新型太阳能热水器和地源热泵系统产业化。
包括高可靠性新型
真空管集热器、大面积中高温太阳能热水系统、全天候太阳能热水系统、高效地源热泵及
其配套系统。
”
⑧2005 年 11 月 30 日，中华人民共和国国家标准 GB—50366—2005《地源热泵系统工
程技术规范》发布。
⑨根据国家《公共建筑节能设计标准》GB—50189—2005.5.3.11：
“对有较大内区且常
年有稳定的大量余热的办公、商业等建筑，宜采用水环热泵空气调节系统。
”
水源热泵系统能分为两个不同部分——室内侧和水源侧。
热泵机组实现了冷量在系统
两侧来回传递。
当系统两侧适当平衡时，水源热泵会自动提供给家庭供热和供冷，进而舒
适地年运行。
然而，如果系统不平衡就可能产生问题。
所以设计和安装水源热泵的人，应
该了解系统的两侧，并实现他们之间的适当平衡。
本手册就是为读者提供熟悉整个基础以
及特别充分了解一个水源热泵系统选择、设计和安装的所需资料。
我们开始先由系统的水
侧来讨论。
1、 井水
1.1 系统的水源侧
1.1.1 水质
在设计井水系统中,水质是一个最重要的考虑。
以下是必须考虑的 3 个基本要素：
1）可开采量
2）地下水温度
3）洁净度
这些水质要素不仅在选择的供水源时必须考虑，而且在决定合适的水处理方法时也是
必要的。
⑴供水水质：
① 可开采量
供水水质最重要的要素是可开采量，要求有足够的水流量才能保证系统的正常运
行。
在 Sol-A-Terra（SATⅠ&Ⅱ）技术通报上已规定了各种规格热泵系统所需的特定水量.亦
可用如下经验规则估计所需水量:
SATⅠ系统每 12000Btu/H（3023 kal,约 1rt）制冷量需
3GPM（gal/min）水量。
SATⅡ系统每 12000Btu/H 制冷量需求 2 GPM。
所以，首先确定
系统总制冷量，然后估计系统平衡所需的总水量（GPM），接着咨询当地钻井商以确
定水量是否可从地下得到。
当地有资质的钻井商名单可以由国家水井协会（NWWA）
或当地 Mammoth 分部得到。
一旦有资质的钻井商确定有足够水量,则可继续进行水井
系统和设计（参见本手册 1.1.2 和 1.1.3 节）。
如果无法提供所需水量则可采用地下耦
合系统、地热井或蓄水池系统（参见本手册有关章节）。
② 地下水温度
水源温度是供应水质的另一个要素。
水温是水中所含热能总量的量度，直接影响
热泵机组的换热能力。
通过调节热泵机组的水量，可增加（或减少）供热量及供冷量。
特定的供冷供热负荷和水源温度确定后，即可根据 Sol-A-Terra 技术通报，确定系统运
行所需的特定流量。
③洁净度
供水水质要考虑的决定因素是水的洁净度。
任何水都含有一定杂质。
这些杂质有
可能会影响热泵系统的性能。
由于水源热泵通常采用未经处理的井水，常规是如果未
经处理的井水是可以饮用的，那么它就可以用于热泵系统。
当然，水必须分离出砂和
其他颗粒物体，以防止磨损热交换器和堵塞阀门。
因此，Mammoth 建议在供水管路中
采用过滤器。
⑵回灌水水质
通过水源热泵机组后的水必须进行处理。
同时，要采取措施将处理后的水回灌到
取水层。
通常的做法是直接把使用过的水直接进行回灌，因此称之“回灌水”。
供水
水质三要素：
水量、水温和纯净度同样应用到回灌水。
在系统的回灌侧，我们必须重视回灌水的洁净度。
毕竟，基本纯净的水是从蓄水
层抽出的，从这里抽出的其他水是饮用或煮食之用。
采用 SAT 水源热泵系统，回流到
蓄水层的水是安全和清洁的，像从蓄水层出来一样。
这些水的处理，没有卫生健康问
题。
因为这些水在管道压力下流过热泵系统，未曾接触空气或制冷剂。
仅有的变化是
水温的变化，约 5—15oF，若带水进出热泵机组的管道破裂，其结果是水的漏失，不
会危害健康。
如果水—制冷剂换热器中的管道损坏，则制冷剂（R22）主制冷剂润滑
油可能进入回水中。
然而这些污染物不会产生健康危害。
制冷润滑油（每台机组
< 0.47L）是比在药店作为轻泻剂销售的矿物油更高纯度的高级精制矿物油 R22（一氯二
氟甲烷）是人工制冷剂,稳定、元素性、无腐蚀性、无刺激性且不燃。
依照“机械制冷
的美国安全标准规范”，医院厨房可使用多达 9.98 kg 的 R22,而一台典型的地下水热泵
机组仅有 1.81kg R22 因此,离开热泵机组的水与进入机组时一样安全卫生 。
正确设计和安装井水源热泵系统，回灌水的温度和水量也是必须考虑的因素。
以
回灌水温度不影响供水温度为宜。
此外，蓄水层再吸收回灌水的能力亦会影响供水温
度为宜。
此外，蓄水层再吸收回灌水的能力亦会影响回灌水系统的选择和设计。
这些
在手册 1.1.3 节中有详细的阐述。
⑶铜和铜镍合金换热器的比较
SAT 热泵机组包含一台换热器，热能通过此换热器从制冷剂传递给水，反之也是，
可能的问题
采用铜盘管
采用铜镍合金盘管
氧化（结垢）
钙和镁盐
（硬度）
氧化铁
（25 粒/gal）
低
>350ppm
高于海水
高
腐蚀
pH
硫化氢
二氧化碳
溶解氧
氯化物
总溶解固体
7~9
<10ppm
<50ppm
仅与压力水罐
<300ppm
<1000ppm
5~7 和 8~10
10~15 ppm
50~75 ppm
所有系统
300~600 ppm
1000~1500 ppm
生物增长
铁细菌
悬浮固体
低
低
高
高
但不允许两者直接接触。
水和制冷剂各自在相互独立的盘管中流动。
水盘管采用标准
材料是铜。
另外，选择用铜镍合金的水盘管也是可行的。
铜镍合金是一种铜的特殊合
金，有着较高的抗腐蚀性。
通过采用铜镍合金换热器得到的好处是增加耐腐蚀性，大
幅增加换热器的使用寿命。
由于沉淀物的产生，热交换器内部必须定期清洁。
虽然，
铜和铜镍合金结垢速率没有明显不同，但由于铜镍合金具有较好的耐腐蚀性，可多次
清洁，故其更加耐用。
根据表Ⅰ可决定是否需要采用一台铜镍合金换热器。
⑷避免潜在问题
如前所述，所有的水都含有一些杂质，可能影响热泵系统性能。
采用铜镍合金水
盘管（如前所述）是防止可能发生问题所做的第一步。
然而，铜镍合金对排除这些问
题不是万灵药。
采用下列措施会使氧化和水垢减少到最低。
表ⅠMammoth 水盘管选择指南
注：
如果腐蚀物浓度超过在铜镍合金表列的最大值，则可能引发严重的腐蚀，需进行水处理。
① 污垢
污垢是由于含在水中的矿物质沉淀而从溶液中析出，并在管道和阀门内表面累
积的过程。
污垢形成，传热效率减少，水阻力增加，从而减少系统的水流量。
如果
忽视氧化问题，污垢最终会阻塞系统。
形成污垢的矿物质，通常出现在井水里。
这些矿物质被二氧化碳“锁”在溶液中。
如果水温突然升高或水压突然下降，悬浮的矿物质即从溶液中分离出来，形成碳酸
垢。
所以，防止结垢的第一步是保持所有水管路的压力。
采用在排出管（回水管）
上装设电磁阀和调节阀来保持压力。
此外，Mammoth 建议，采用慢关闭电磁阀避免
压力突降。
防止污垢的第二步是在热泵制冷工况时限制水温上升水于 20 oF（11 oC），
通过增加流量来限制水温上升。
当热泵在供热工况下，氧化结垢是不太可能发生的。
② 腐蚀
腐蚀中管道和阀门被在水中的悬浮化合物腐蚀或溶解的过程。
多数地下水没有较
高的腐蚀性（见表Ⅰ）。
然而，一旦腐蚀出现，不排除的话，将会导致整个水管路系
统腐蚀损坏。
防止腐蚀的第一步是在热泵系统中采用 PVC 或聚丁烯（polybutylene）
材料。
管道配件也须是防腐蚀的。
应采用 PVC 阀门，因为黄铜会被腐蚀。
另一种常见的腐蚀被称为电偶腐蚀。
不同金属混合在水系统中而发生。
为了避免
电偶腐蚀的发生，不要采用铸铁或镀锌的钢管及配件。
允许用的材料是：
铜、PVC、
聚丁烯、聚炳烯和橡胶。
③ 铁锈
铁锈是由一种棕褐色的糊状沉淀物沉集而成，是由铁细菌所致，与氧化垢一样能有效
堵塞水系统的物质。
保持水压并避免与空气接触可以抑制铁锈细菌的生长。
然而，如果铁
锈细菌在水中出现，就会形成沉淀物，需要用酸性氯溶液（acid-chlorine）定期清洗。
因此，
尽量采用铜镍合金水盘管，虽然这样不会减少铁细菌的生长，但是能使换热器达到最大使
用寿命。
1.1.2 井水供应
井水或地下水可在地下砂、砾石和岩石之间的空隙地方找到。
一般，在任何地方都有
地下水，但它们的深度、质量、温度和相对纯度，差异非常大。
这些参数对井水源热泵系
统的选择、规模确定和安装非常重要（详见本手册 1.1.1 节供水水质）.应向当地钻井商咨
询地下水情况。
1） 水井的种类
水井有 3 种基本类型，其中任何一种都有可能适合或不适合你所在地的热泵系统。
要
决定哪种类型的井是适合的，最好的方法是请教当地的钻井商。
第一种是最简单的井型：
手挖井。
一般它是一个十分浅的坑（<15m 深），大直径，用
砖或大石头砌成。
这种井型仅适合地下水接近地表的地方。
特别要注意手挖井的出水量和
温度，这些参数可随季节变化或受天气变化的不利影响。
每二种井型是瓦井，瓦井类似手挖井，它具有大直径，相对浅（<30m 深），用多孔瓦，
以便渗入筑成的井壁。
同手挖井，瓦井是用蓄水池原理来动作，就是水是储存在井中，以
便正常使用。
由于“蓄水池”的水位可以随季节或天气而变化，井水热泵系统中使用这两
种井型时，必须慎重考虑。
第三种井，也许是最普通的井型就是钻井。
钻井是用一个带钻头的螺旋型杆钻入地下，
形成的小直径孔洞。
我们多数已经熟悉钻井的基本概念，孔能按找到地下水的要求钻到任
何深度（如果需要可到 150m 深）。
一旦孔被钻成，就放入适合的耐腐蚀管（PVC 或钢），
这些管道叫井套管，防止井塌并构成一条自由、无碍的通道让水从地下蓄水层流到地面。
钻井的基本构成详见图 1。
钻井与其他两种井最重要的不同处在于钻井不以蓄水池原理动作，水并非储存在井管
中而被使用的，钻井系统依靠的是流动的地下水，储存在土壤中空隙地方的水必须以一定
流量流到井套的开口里，以便有足够的水量供给热泵系统运行。
水在土壤中的渗透速度取
决于很多复杂的土壤特性，任何合格的当地钻井商都有能力确定任何特定位置可能的出水
量。
2） 钻井系统
当前，工业钻井系统被划分为两个基本类型——供水井和、地热井。
两个系统之间基本不
同点是：
供水井是单一回路系统，水流经井内滤网进入井管，经过热泵后，以后面将讨论
的方式中的一种进行处理（见 1.1.3 节）。
而地热井是双回路系统，在同一口井，从水井的
顶部抽出，而回灌到底部。
在任何特定的位置，采用什么类型的井系统取决于地质和出水
量。
在讨论各种系统的不同之前，读者有必要熟悉如下基础术语：
蓄水层（aquifer）——水体或水量。
地下蓄水层是包含在地表面下，承载水的结构。
水床（water table）——蓄水层的表面。
在地下蓄水层，水床是指水承载结构最接近地
表面的深度处。
静水线（static water level）——井中水会上升到水平线。
静水线是指任何给定时间，
井中包含水量的表面。
加固构造（ consolidated formation） ——固态岩石层（花岗岩、石灰岩、砂石、油页
岩等）。
非加固构造（unconsolidated formation）——混合材料是一个单向系统。
1.1.3 回灌处理方法
如本手册前面所讨论（1.1.2 节）,流经 SAT 热泵的地下水必须进行适当处理。
尽管，
回灌水和抽取水一样安全、清洁，但某些当地政府仍规定进行水处理。
1） 地表水处理法
池塘、湖或河流能用来接受从井水热泵系统的排水，排水管选取的尺寸应能尽量减小
水管阻力损失，并且有足够的坡度以便靠重力能使水流向池塘、湖或河流。
排管的末端应
位于水面之上，以免给鱼、青蛙或藻类堵塞。
特别小心的是应用时要保证水管在冬季不会
结冻（见图 2）。
2） 干井处理法
干井是在地下用砾石添满的一个大洞，排水流进洞中并通过砾石。
这种方法仅适用于
多孔的土壤环境（例如：
砂），而不能用于无孔的地下环境（例如：
粘土）。
这是因为排水
须能够经过硕石然后渗过多孔土壤回到水床内（见图 3）。
3） 排水瓦管处理法
排水瓦管法通常用于重黏土的耕地区域。
将排水瓦管埋入地表面下 1~2m,排走湿土里
的水。
用这种方法处理，回灌水被排入瓦管，通过它最后渗透进入能吸收它回到地下蓄水
层的区域。
4） 回灌井的处理方法
回灌井可视为与供水“相反”。
在地热井系统中，排水回到供水井。
可保证足够水量
供应热泵。
在供水井系统（单向），可采用独立的回灌井。
然而，典型的的水井只能接收其
出水量的 75%~80%。
所以，当采用独立的井用做回灌井时，回灌井通过水泵在土壤中开成
一个锥型漏斗或水平线在一抽水时会降低。
如果静水平面接近地面，锥型漏斗升高到达地表面，回灌井会形成逆流。
虽然这种情
况很少发生，但它还是有可能的。
所以，所有回灌井在控制方法上应设计适应溢流。
排入（回灌）井的基本构成详见图 4。
计划安装独立的回灌井时，需考虑以下问题。
首先要避免供、回水井之间短路，井必
须保持一定距离。
准确的间隔距离应依据地质情况而定，也可参考井之间的最小间距 30m
的经验值。
第二，回灌井直径必须等于或大于供水井，滤网长于供水井，一般而言回灌井
的长度为供水井的两倍。
最后，为防止空气入侵，回灌井的下降管末端必须放在井的静水
位以下。
上述的回灌井系统是单泵系统，井水在系统中始终沿同一方向流动。
另一个选择是双
井可转换系统。
使用两台泵来改变水流方向，允许每个井交替完成供应和回流的任务（见
图 5）。
在供热季节，井 A 是抽水井，而井 B 是回灌井。
在供冷季节，水流向相反，井 B
是抽
水井，而井 A 是回灌井。
该系统有三个好处：
首先，通过残留温度补偿可提高季节运
行效率。
最后，可以缩短井间距。
一个重要警告：
转换流向后前 10min 应将井水排到荒地（系统以外），以免砂或尘粒
进入阀门或热泵机组。
而且，重新连接系统时，记住使供水井管线连接到机组上标记“进
入”的接口，回灌井管线则连接到“排出”标记的接口。
这些是非常重要的。
1.1.4水泵和压力水箱
多数进水热泵系统采用单泵（“双向可逆系统”不同这个规定）设在供水井内.两种常用的
井水泵是喷射泵和潜水泵。
潜水泵比喷射泵更有效，在井中更不易结垢。
1） 泵的规格确定
选择合适的泵，首先应该确定从井水中得到的水量。
通常，一台井泵必须供给热泵
运行和家庭使用（生活用水）两部分水。
此时必须做出决定：
选择流量与生活热水量和热
泵流
量总和相等或与二者较大者相等。
生活用水量的经验规则是：
每天每人 75gal（285L）,或每分
钟 5gal（0.315L/s）。
0.315L/Sj 高峰需要而非平均需要。
SAT 热泵机组所需水流量能在 SAT
热泵机组的数据表中找到。
要了解更多资料，可是联络当地 Mammoth 销售。
①专用系统
如果进水系统是热泵专用，无须提供生活用水的要求，则泵的规格可由热泵所需的流
量准确确定。
专用系统，常用的水泵规格是 1/2HP 或 3/4HP。
②联合系统
在联合系统中，井泵为热泵和生活用水两者供应水，必须做出决定：
提供两者同时使
用的充足水量或仅满足较大者的需求。
以上任何一种情况，必须采用一个压力水箱暂时储
水，以便系统使用。
压力水箱的选择等详见后文。
如果联合系统为两者同时提供足够的水量，可提供使用上的舒适，但所需泵和压力水
箱的规格较大。
因生活用水高峰每天仅几分钟，可设计一个生活用水高峰时自动关闭热泵
运行的系统。
系统的关键是在压力水箱和热泵之间的管路上设置一个反作用压力开关
（Reverse Acting Pressure Switch,简称 RPS）。
当水箱内压力降到 7GPM（0.44L/s）水量，
生活用水高峰水量为 5GPM（0.315L/s），则选择可供应 7~8GPM（0.44~0.51L/s）水量的水
泵。
这样可供应生活用水的最小使用量，而不关闭热泵。
如果威力水箱，设定在 2~3.45Bar 运行压力范围，则热泵单独运行时，水箱压力会接
近 3.45Bar。
当生活用水较小时，水箱内压力会降到 2~3.45Bar 之间。
然而如果生活用水达
到高峰值，则水箱内压力会降到 2Bar 以下，RPS 关闭热泵。
一旦压力水箱恢复到最大压力，RPS 会自动启动热泵机组。
当系统设计为“不是……
就是”这种操作模式，若令供水系统热泵再提供生活使用，则可减小管路系统（见图 6），
所以管道可以减少。
用当地规范检查决定这种线路技术是否可行。
③ 短循环
在选择泵时另外要考虑的因素是知循环。
井的平均寿命是 7 年，如果允许泵进行短循
环，这个数字会显著地缩短。
若泵停止后不到 1min 即启动就会发生短循环，连续运行的泵比频繁启停的泵寿命要
长。
因此，泵和压力水箱的规格确定时应使泵在关闭状态时超过 1min。
相对于压力水箱，
减小泵的规格会减少短循环发生的可能性。
理想的情况是：
热泵运行时，井泵连续运行。
不但可减少购买泵的费用（所需马力较低），而且用户的运行电费也减少。
这是因为较小的
泵需要较少的电力去运行，并且连续运行，则启动所需的能量波动减少。
最后的结论是：
适当选型和平衡的系统，安装者的初投资最小，用户可得到最大的节约。
④扬程
确定泵的型号最后的步骤是要确定泵的扬程。
扬程是总压力，即泵必须克服输送水通
过系统所需的的总压力。
系统中影响扬程的 3 个物理参数是提升高度、摩擦损失和压力水
箱的阻力。
简言之，提升高度是把井水从井里提升到压力水箱泵必须克服重力做的功。
它是系统
侧管道中水的总重量。
摩擦损失当然是水流过系统组件的阻力。
最后是压力水箱本身施加
的必须由泵克服的背压，通常压力水箱压力设定为 30~50PSI。
这三部分加在一起，构成总
杨程，通常以米水柱来表示（mH2O）。
1 PSI=0.7 mH2O30 PSI=21 mH2O50 PSI= 35mH2O
只要所需的水量和扬程确定，相应型号的井泵就可以由泵制造厂提供的泵特性曲线图
选取。
2） 压力水箱的选择
压力水箱的作用是在系统需要时给系统供水，防止井泵短循环。
当水泵关闭时，压
力水箱会在系统需要时提供水。
如压力水箱的名称所示，水在压力水箱中保持一定的压力。
实际上，循环开始时，空压力罐含有压缩空气，被膨胀膜与水分隔开。
空的水箱中压力是
最小
运行压力，井泵工作时将水充到水箱中，挤压膨胀膜并进一步压缩水箱中的空气，
水填充进水箱时，水箱中压力上升，直到达到最大运行压力。
达到最大运行压力时，井泵
自动关闭。
泵保持关闭直至水箱中压力回到最小运行压力（空的水箱），则泵再次启动，如
此反复。
这种方法，泵的启停次数减少，因为压力水箱可以为系统供水（见图 7）。
在本手册前面的应用讨论中提到，井系统通常既需供应生活热水又需供应热泵用水。
实际上，由于压力水箱在短时间可代替井泵，它必须能够提供一个较宽范围的水流量从系
统最小需求到峰值需求。
所以，为了减少井泵短循环，压力水箱应足够大，需井泵运行
1min 以上才能将其充满，而且要足够大到可以提供给热泵运行 2min 或更长时间所需的水。
这样，井泵的启停时间间隔加长，可延长井泵的运行寿命，减少系统运行总能耗。
按照常理，压力水箱尺寸越大越好。
然而，选择一台合适的水箱不必须考虑购买费
用。
较大水箱的购买费用显然高于较小的水箱。
除了尺寸大小，压力水箱必须是一个带预
压气囊的罐。
由于电蚀和水侵，镀锌的水气并用是不可行的。
表 2 给出典型压力水箱的各
种规格，以及不同运行压力范围下，各规格压力水箱随水位下降产生的有效容量。
通常，
地下水热泵系统压力水箱设定在 2~3.45Bar 之间运行。
名义容积/gal
水位降低/gal
20~40 PSI
30~50 PSI
40~60 PSI
20
7
6
5
30
10
9
8
40
14
12
10
80
28
25
21
120
41
35
31
200
69
60
52
270
93
80
70
表 2 压力水箱表
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