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1、地埋管地源热泵系统设计三地埋管地源热泵系统设计三一、地源热泵系统一、地源热泵系统简介简介二、地埋管地源热泵系统设计二、地埋管地源热泵系统设计三、三、地埋管地埋管地源热泵土壤热响应测试地源热泵土壤热响应测试四、地埋管换热器设计四、地埋管换热器设计五、地下热平衡设计五、地下热平衡设计六、六、地埋管地埋管地源热泵空调系统优化运行控制地源热泵空调系统优化运行控制1.2 2）垂直埋管地热智能桥）垂直埋管地热智能桥 ：1.2 3）螺旋埋管地源热泵系统）螺旋埋管地源热泵系统 ：长轴水平布置的螺旋埋管、长：长轴水平布置的螺旋埋管、长轴竖直布置的螺旋埋管、沟渠集水器式螺旋埋管。轴竖直布置的螺旋埋管、沟渠集水器式
2、螺旋埋管。1.3 1. 家用系统家用系统1.3 1. 商用系统：集中系统、分散系统和混合系统商用系统：集中系统、分散系统和混合系统 1.4 地源热泵的优点：地源热泵的优点：地源热泵的优点地源热泵的优点高效节能、运行费用低高效节能、运行费用低利用可再生能源利用可再生能源, 可持续发展可持续发展 运行无污染，环境效益显著运行无污染，环境效益显著设备占地空间小设备占地空间小, 节省建筑空间节省建筑空间 二、二、 地源热泵系统设计地源热泵系统设计地地源源热热泵泵系系统统设设计计设计的原始资料与依据设计的原始资料与依据建筑物冷热负荷计算设计建筑物冷热负荷计算设计冬夏季地下循环水换热量计算冬夏季地下循环水
3、换热量计算现场勘察探与热响应测试现场勘察探与热响应测试地下换热器设计地下换热器设计空调主机及末端系统设计空调主机及末端系统设计2.2 热泵容量的选择热泵容量的选择 热泵性能的确定热泵性能的确定: 土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。 2.3 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。冬夏季地下换热量分别是
4、指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：可以由下述公式计算：其中，其中，Q11 夏季向浅层地表排放的热量，夏季向浅层地表排放的热量，kW， Q1 夏季设计总冷负荷，夏季设计总冷负荷，kWQ12 冬季从浅层地表吸收的热量，冬季从浅层地表吸收的热量，kW， Q2 冬季设计总热负荷，冬季设计总热负荷，kWCOP1 设计工况下水设计工况下水-水热泵机组的制冷系数水热泵机组的制冷系数COP2 设计工况下水设计工况下水-水热泵机组的供热系数水热泵机组的供热系数2.4 风机盘管系统，屋顶地板辐射采暖方式，全空气系统风机盘管系统，屋顶地板辐射采暖方式，全空气系统等。通常采用风机盘管等
5、。通常采用风机盘管系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面：系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面：（1）选择安装风管的最佳位置；）选择安装风管的最佳位置；（2）根据室内的得热量）根据室内的得热量/热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置；位置；（3）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。 三、三、 地源热泵土壤热响应测试地源热泵土壤热响应测试设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如
6、果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要荷需要; ;也可能规模过大，从而也可能规模过大，从而加大初期投资加大初期投资。另外，不同的另外，不同的封井材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接封井材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。 3.1 埋管式地源热泵热响应测试要求埋管式地源热泵热响应测试要求实验主要在三个方面展开：实验主要在三个方面展开：1）首先是热响应测试，以恒定的加热功率求出地埋管换热器进出）首先是热响应测试，以恒定的加热功率求出地埋
7、管换热器进出口温度随时间的变化情况，通过曲线拟合求出土壤的导热系数等热口温度随时间的变化情况，通过曲线拟合求出土壤的导热系数等热物性；物性；2）模拟夏季空调的制冷试验，测量井埋管换热器的放热能力；）模拟夏季空调的制冷试验，测量井埋管换热器的放热能力；3）模拟冬季的制热试验，测量井埋管换热器取热能力）模拟冬季的制热试验，测量井埋管换热器取热能力 。3.2 热响应测试原理热响应测试原理 图图 31 测试系统原理图测试系统原理图1. 加热水箱加热水箱; 2. 温度控制器温度控制器; 3. 补水箱补水箱; 4. 水泵水泵; 5. 变频器变频器; 6. 压力传感压力传感器器; 7. 集水器和分水器；集水
8、器和分水器；8. 涡轮流量传感器涡轮流量传感器; 9. 温度传感器温度传感器; 10. 数显功数显功率表率表 3.3 热响应测试步骤热响应测试步骤1.合理制定试验方案，根据现场及设计条件，合理选择试验合理制定试验方案，根据现场及设计条件，合理选择试验钻孔位置，避免传热干扰，试验包括放热和取热试验钻孔位置，避免传热干扰，试验包括放热和取热试验 2.测量并提供地下土壤的初始温度分布测量并提供地下土壤的初始温度分布3.通过测量分析计算地下土层的综合热物性参数，包括土壤通过测量分析计算地下土层的综合热物性参数，包括土壤导热系数和热容，回填料的热物性参数和配比以及管材的热导热系数和热容，回填料的热物性参
9、数和配比以及管材的热物性参数物性参数 4.按照设计工况测试，测量提供埋管取热、放热特性，并进按照设计工况测试，测量提供埋管取热、放热特性，并进行分析对比行分析对比 5.根据埋管群布置情况，利用试验及模拟所得的数据，根据根据埋管群布置情况，利用试验及模拟所得的数据，根据实际地源热泵系统的运行情况，对整个地源热泵埋管区域地实际地源热泵系统的运行情况，对整个地源热泵埋管区域地下热响应进行计算机模拟计算分析，得出：地下土壤温度随下热响应进行计算机模拟计算分析，得出：地下土壤温度随时间变化；分别以加辅助散热设备和不加辅助散热设备两种时间变化；分别以加辅助散热设备和不加辅助散热设备两种情况下，得到实际运行
10、的土壤热积聚情况分析；并根据土壤情况下，得到实际运行的土壤热积聚情况分析；并根据土壤热积聚情况分析计算出供冷季和供热季地源热泵系统供冷供热积聚情况分析计算出供冷季和供热季地源热泵系统供冷供热能力热能力 6.根据模拟分析，为保证全年土壤取放热量平衡给出辅助散根据模拟分析，为保证全年土壤取放热量平衡给出辅助散热设备的设计容量以及与地埋管换热器联合运行的控制策略。热设备的设计容量以及与地埋管换热器联合运行的控制策略。为工程设计提供参考数据为工程设计提供参考数据 3.3 热响应测试步骤热响应测试步骤3.4 热响应测试软件热响应测试软件热响应测试软件热响应测试软件Demo 3.5 热响应测试数据分析热响
11、应测试数据分析热响应测试软件热响应测试软件Demo 3.6 热响应测试模拟软件热响应测试模拟软件热物性模拟软件热物性模拟软件Demo 3.6 热响应测试模拟软件热响应测试模拟软件热响应模拟软件热响应模拟软件Demo 3.6 热响应测试模拟软件热响应测试模拟软件首先是建筑冷热负荷分析；首先是建筑冷热负荷分析；负荷叠加说明图负荷叠加说明图3.6 热响应测试模拟软件热响应测试模拟软件距离管壁不同距离传热距离管壁不同距离传热离孔洞中心不同半径处的传热量随时间的变化离孔洞中心不同半径处的传热量随时间的变化 3.6 热响应测试模拟软件热响应测试模拟软件土壤温度分布土壤温度分布3.6 热响应测试模拟软件热响
12、应测试模拟软件近管壁温度分布（五年）近管壁温度分布（五年）无冷却塔无热水埋管井壁处土壤五年温度随时间变化无冷却塔无热水埋管井壁处土壤五年温度随时间变化 四、地埋管四、地埋管土壤土壤换热器换热器设计设计 水平埋管水平埋管垂直埋管垂直埋管水平螺旋型埋管水平螺旋型埋管在现场勘测的基础上确定换热器埋管采用垂直布置还是水平布置方式。尽在现场勘测的基础上确定换热器埋管采用垂直布置还是水平布置方式。尽管水平布置时通常为浅层埋管管水平布置时通常为浅层埋管, 初投资一般会少些初投资一般会少些,但换热性能比垂直布置但换热性能比垂直布置时差很多时差很多,并且往往受可利用土地面积的限制并且往往受可利用土地面积的限制,
13、所以在实际工程中所以在实际工程中,一般采用一般采用垂直埋管布置方式垂直埋管布置方式。4.1 土壤换热器埋管的布置型式土壤换热器埋管的布置型式 1 水平埋管水平埋管: 水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式。二层四管、单沟二层六管等形式。 4.1 土壤换热器埋管的布置型式土壤换热器埋管的布置型式 2 垂直埋管垂直埋管: 一般有单一般有单U 形管，双形管，双U 形管，形管，W型管、套管式管，小直径螺旋型管、套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同盘管和大直径螺旋
14、盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（分为浅埋（30m）、中埋（）、中埋（3180m）和深埋（）和深埋（80m）。目前使用最多）。目前使用最多的是单的是单U 形管（形管（Single-U-pipe），双），双U 形管（形管（Double-U-pipe），简单套），简单套管式管（管式管（Simple Coaxial pipe） 4.1 土壤换热器埋管的布置型式土壤换热器埋管的布置型式 3 土壤换热器的埋管深度：土壤换热器的埋管深度：钻井深钻井深60m 以内井深的钻机成本少，费用低，以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于如果大于60m，其钻机成本会提高；井深，其钻机成本会提高；
15、井深80m 以内，可用国产普通型承以内，可用国产普通型承压（承压压（承压1.0MPa）塑料管，如深度大于）塑料管，如深度大于80m，需采用高承压塑料管，其，需采用高承压塑料管，其成本大大增加；据比较，井深成本大大增加；据比较，井深50m 的造价比的造价比100m 的要低的要低30%50%。上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。建筑高度的影响。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。 4.2 连接方式连接方式地下换热器中流体流动的回路形
16、式有串联和并联两种地下换热器中流体流动的回路形式有串联和并联两种 串联系统管径较大串联系统管径较大,管道费用较高管道费用较高,并且压降特性限制了系统能力。并联并且压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小管道费用较低系统管径较小管道费用较低,且常常布置成同程式且常常布置成同程式,当每个并联环路之间当每个并联环路之间流量平衡时流量平衡时,其换热量相同其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力。其压降特性有利于提高系统能力。因此因此,实际实际工程一般都采用并联同程式。工程一般都采用并联同程式。4.3管材选择及长度计算管材选择及长度计算管材选择管材选择地埋管应采用化学地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、
17、导热系数大、流动阻力小稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（采用聚乙烯管（PE）或聚丁烯管（）或聚丁烯管（PB）。）。（PE 材料按照国际上统一的标准划分为五材料按照国际上统一的标准划分为五个等级：个等级：PE32 级、级、PE40 级、级、PE63 级、级、PE80 级和级和PE100 级。用于地源热泵管道级。用于地源热泵管道PE 管的生产为高密度聚乙烯管的生产为高密度聚乙烯HDPE，其等级是，其等级是PE80、PE100 两种）。两种）。 地埋管长度计算地埋管长度计算地源热泵换热器的换热量应该满足空调主机实际所需最大吸热量和施热量。地
18、源热泵换热器的换热量应该满足空调主机实际所需最大吸热量和施热量。根据现场实测的岩土体及回填材料的热物性，以及热泵机参数、建筑物逐月负荷、设定根据现场实测的岩土体及回填材料的热物性，以及热泵机参数、建筑物逐月负荷、设定循环液体进出温度、给定换热器结构尺寸，采用循环液体进出温度、给定换热器结构尺寸，采用专用软件专用软件进行计算。进行计算。也可以用半经验公式计算。也可以用半经验公式计算。4.3管材选择及长度计算管材选择及长度计算管件与连接管件与连接 4.4地埋换热器系统水力计算地埋换热器系统水力计算管道压力损失计算管道压力损失计算在同程系统中在同程系统中,选择压力损失最大的热泵机组所在环选择压力损失
19、最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。路作为最不利环路进行阻力计算。循环泵的选择循环泵的选择单机扬程一般不超单机扬程一般不超32m，变流量水泵，功率不超过，变流量水泵，功率不超过30kw。塑料管的摩擦阻力远比铁管小。塑料管的摩擦阻力远比铁管小。4.5 地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等（通过热响应实验测得）。地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等（通过热响应实验测得）。规定管间距不小于规定管间距不小于4米米 地源热泵系统工程技术规范地源热泵系统工程技术
20、规范GB50366-2009规定：规定： 地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为一年。计算周期内，地源热泵系统总释（排）热量宜与其总吸（取）热量相平衡。各种设计方案的机理各种设计方案的机理 依据岩土体的热平衡状况：即不同地区气候条件、不同功能的空调房间和不同运行方式所形成的累积排热量与累积取热量的状况。 全年累积排、取热量比全年累积排、取热量比r ralal（ratio of accumulated loadsratio of accumulated loads）是全年）是全年向地埋管换热器的总排热量与其总取热量之比。向地埋管换热器的总排热量与其总取热量之比。 当当r ra
21、lal=1=1 地下岩土年平均温度地下岩土年平均温度保持不变保持不变当当ral1地下岩土年平均温度地下岩土年平均温度逐年升高逐年升高当当ral1地下岩土年平均温度地下岩土年平均温度逐年降低逐年降低目标目标：岩土温度不变尽量减少对机组和环境的影响5.2 5.2 历年累积排、取热总量曲线历年累积排、取热总量曲线 r ralal11的工程的工程，冬季开始供热使用，冬季开始供热使用 ，然后在夏季制冷，全年冬夏季，然后在夏季制冷，全年冬夏季取排热总量相等，负荷总量变化曲线为曲线取排热总量相等，负荷总量变化曲线为曲线。反之，夏季开始制冷使。反之，夏季开始制冷使用，则为曲线。用，则为曲线。 历年负荷总量累积
22、曲线历年负荷总量累积曲线 1、4 平衡型平衡型 2 累积排热型累积排热型 3累积取热型累积取热型 历年累积排取热量Q/GJQ/GJ5.3 5.3 热平衡设计的九种设计方案热平衡设计的九种设计方案 据岩土体的累积排热量和累积取热量的平衡状况和我国不同地域、不据岩土体的累积排热量和累积取热量的平衡状况和我国不同地域、不同气候特点，提出以下同气候特点，提出以下9 9种设计方案：种设计方案： 5.5 5.5 方案应用的地域性分析方案应用的地域性分析 以以5 5个典型气候区域代表城市的全年逐时空调负荷为例分析，个典型气候区域代表城市的全年逐时空调负荷为例分析，5 5个代表城市个代表城市分别为严寒分别为严
23、寒A A区的齐齐哈尔，严寒区的齐齐哈尔，严寒B B区的沈阳，寒冷地区的北京，夏热冬冷地区区的沈阳，寒冷地区的北京，夏热冬冷地区的上海，夏热冬暖地区的广州。的上海，夏热冬暖地区的广州。 5 5个代表城市的全年排热量、取热量的不平衡率个代表城市的全年排热量、取热量的不平衡率 不平衡率不平衡率= =（排热量（排热量- -取热量）取热量）/ /排热量与取热量中的较大者排热量与取热量中的较大者100%100%依据：不平衡率越接近依据：不平衡率越接近0 0时越容易实现全年热平衡，而越接近时越容易实现全年热平衡，而越接近100%100%则则越难实现热平衡。越难实现热平衡。 严寒区严寒区-96-96方案方案7
24、 79 9-严寒区严寒区-88.2-88.2方案方案7 79 9-寒冷区寒冷区-54.2-54.2方案方案7 79 9-夏热冬冷区夏热冬冷区26.526.5方案方案2 26 6-夏热冬暖区夏热冬暖区8585方案方案2 26 6六、六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理地源热泵空调系统优化运行控制管理6.1 地源热泵系统运行关键地源热泵系统运行关键：稳定性、系统节能：稳定性、系统节能稳定性：地下放热取热稳定、长期运行的土壤热平衡、稳定性：地下放热取热稳定、长期运行的土壤热平衡、系统节能：机组运行模式（热回收）、输送节能、地下有效交换换热系统节能：机组运行模式（热回收）、输送节能、地下有效交换换热
25、. 6.2 复合运行模式复合运行模式以埋管换热为主，当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝以埋管换热为主，当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）达到并超过一设定温度时，即开启冷却塔辅助散热。器的水温）达到并超过一设定温度时，即开启冷却塔辅助散热。当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）与室外湿球当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）与室外湿球温度的差值超过一设定温度时，则开启冷却塔辅助散热。温度的差值超过一设定温度时，则开启冷却塔辅助散热。固定冷却塔的开启时间，例如每天晚上固定冷却塔的开启时间，例如每天晚上 8 点到点到 12 点开冷却塔点开冷却塔，或固定每年某几个
26、月始终开启冷却塔。，或固定每年某几个月始终开启冷却塔。 六、六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理地源热泵空调系统优化运行控制管理水地源热泵系统测控与分户计量测控软件水地源热泵系统测控与分户计量测控软件Demo 六、六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理地源热泵空调系统优化运行控制管理水地源热泵系统测控与分户计量测控软件水地源热泵系统测控与分户计量测控软件Demo 6.2 具体功能具体功能客户客户/服务器结构服务器结构热湿状态监测热湿状态监测热泵操作参数限制热泵操作参数限制冷却塔冷却塔/电动阀门电动阀门/管路的自动切换管路的自动切换水地源地下温度监控水地源地下温度监控循环水泵状态监测及自动控制循环水泵状态监测及自动控制末端状态监测及自动控制末端状态监测及自动控制历史数据查询历史数据查询能耗远程管理能耗远程管理52 结束语结束语