地源熱泵系統設計步驟與方法

  地源熱泵系統的設計，包括兩個(gè)大部分，即建筑物內空調系統的設計和地源熱泵系統的地下部分設計。前者已有比較成熟的技術(shù)，而地下埋管的換熱器、地表水系統的換熱器以及地下水系統的鉆井系統等方面的設計國內還不夠規范。但兩部分之間又相互關(guān)聯(lián)，如建筑物的供冷、供熱負荷，水源熱泵的選型，進(jìn)水溫度（EWT），性能系數（COP）都與地下部分換熱器的結構、性能有密切的關(guān)系。

 

  【一】基礎資料

 

  地源熱泵系統設計的基礎資料除了與一般空調系統相同之外，還必須具備以下資料。

 

  ①項目實(shí)施區的范圍、現有和規劃中的建筑物、樹(shù)木和其他地面設施、自然或人造地表水資源的類(lèi)型和范圍、現有水井及其腐蝕狀況、附屬建筑物和地下服務(wù)設施。

 

  ②有關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)和地表水基礎資料。

 

  ③地下水系統試驗井的基礎資料。一般要求2700m2的建筑物布置一個(gè)試驗井，較大的建筑物布置兩個(gè)試驗井，以了解地下水資源狀況。

 

  ④垂直埋管系統試驗孔的基礎資料，為設計和安裝垂直埋管系統提供依據。要求2700㎡以下面積的建筑物布置一個(gè)試驗孔，較大面積的建筑物布置2個(gè)孔，孔徑為DN50，孔深應大于計劃埋管最深度17m。

 

  ⑤水平埋管系統試驗坑的基礎資料，為水平埋管系統設計提供依據，推薦10000㎡場(chǎng)地至少挖兩條坑，深度應大于計劃埋管深度1m以上。

 

  ⑧監測井所觀(guān)測的地溫和地下水溫度、水位和水質(zhì)的變化等方面的資料。

 

  【二】空調制冷和供熱的負荷

 

  地源熱泵系統的空調制冷和供熱負荷的計算和一般的空調系統基本是一樣的，但又有不同之處，應加以注意。使系統設計能更符合實(shí)際，以達到節約能源和投資的目的。

 

  ①計算分區負荷：應按不同區域計算空調負荷，然后選擇不同的水源熱泵機組，以便滿(mǎn)足不同功能的要求。

 

  ②計算制冷和供熱高峰負荷，作為埋管換熱器或井水用量設計的依據：這兩個(gè)高峰負荷根據建筑物功能的不同可能發(fā)生在不同的時(shí)間，一般制冷高峰負荷多在白天，供熱高峰負荷多發(fā)生在夜間。

 

  ③平均負荷的計算結果直接影響工程的造價(jià)，考慮地下工程的永久性，建議采用負荷計算軟件，以保證計算結果的可靠性。

 

  ④總耗能量的計算：美國現在采用三種計算方法一度日法(Degree days)、 Bin法和Hour by hour法。國內目前進(jìn)行空調系統全年總耗能量計算還很少，計算方法也不夠成熟。

 

  ⑤地下負荷的計算：夏季制冷排入地下的熱負荷，它等于高峰總負荷×（1+1/COP)：冬季供熱向地下取出的熱負荷，即在夏季排入地下的供冷負荷，以及在冬季向地下取出的供熱負荷，它等于是高峰總負荷×（1-1/COP），其中COP是機組制冷性能系數，其中COP是機組供熱性能系數。

 

  【三】室內空調系統的設計

 

  目前國內已有不少有自主產(chǎn)權的水源熱泵生產(chǎn)廠(chǎng)商，如富爾達、中科能、東宇等，但至今缺少統一的水源熱泵標準，大多仍借鑒美國制冷學(xué)會(huì )的三個(gè)標準。

 

  根據各區的冷熱負荷和工廠(chǎng)提供的資料就可以初步選定各種性能數據的水源熱泵機組。一般地源熱泵機組有整體式和分體式兩種，整體式機組制冷劑充注量少，環(huán)路密封性好，減少了現場(chǎng)充注和連接不良而引起的制冷劑泄漏和運行不良問(wèn)題。而且有吊頂式、立式等多種形式，很容易與建筑裝修相配合。分體式僅適用于對安裝有特殊要求的情況。

 

  地源熱泵的室內空調系統與普通空調系統相似，可以選擇風(fēng)機盤(pán)管系統、全空氣系統、地板采暖等多種方式，能滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需要。

 

  【四】埋管式地源熱泵系統的設計

 

  埋管式地源熱泵系統的設計主要就是埋管換熱器的設計，它包括換熱器的長(cháng)度和布置方式的確定，以及環(huán)路循環(huán)泵的選擇。

 

  1.埋管換熱器的形式

 

  埋管換熱器有垂直埋管和水平埋管兩種形式，主要取決于場(chǎng)地大小、巖土類(lèi)型及挖掘成本。水平埋管換熱器有水平單管、水平雙管、水平四管、水平六管以及新開(kāi)發(fā)的水平螺旋狀和扁平曲線(xiàn)狀管等；垂直埋管換熱器有單U形管、雙U形管、小直徑螺旋盤(pán)管、大直徑的螺旋盤(pán)管、套管等，目前應用最為廣泛的是單U形管。

 

  埋管換熱器中流體的流動(dòng)路線(xiàn)分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)系統僅有一條流動(dòng)路線(xiàn)，而并聯(lián)系統流體具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的循環(huán)路線(xiàn)。兩種系統各有優(yōu)缺點(diǎn)，但采用并聯(lián)方式或混合(串聯(lián)+并聯(lián))方式較多。

 

  2.埋管材料的選擇

 

  目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材。這些材料可以彎曲或熱熔形成不同的形狀，并保證使用壽命50年以上。PVC管不能作為埋管換熱器。

 

  3.埋管換熱器直徑和長(cháng)度的確定

 

  埋管直徑的選擇應從兩方面考慮:大管徑可減小循環(huán)泵功耗，但埋管投資高，所需防凍液多；小管徑能使管內流體處于紊流狀態(tài)，流體與管內壁之間的換熱效果好，但處理和安裝的難度大。埋管換熱器的管徑一般采用20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。并聯(lián)系統中的環(huán)路常用小直徑管，集管用大直徑管。

 

  埋管換熱器的傳熱量與當地巖土的溫度和熱物性、埋管的形式、熱泵運行時(shí)間等多種因素有關(guān)。因此換熱器的長(cháng)度不能只由室內瞬時(shí)負荷來(lái)確定。關(guān)于換熱器長(cháng)度的計算可查閱國內外一些地源熱泵設計手冊，還有一些這方面的專(zhuān)用軟件可供選用。

 

  4.閉式環(huán)路循環(huán)泵的選擇

 

  循環(huán)泵的選擇包括泵的流量和壓力兩方面，使埋管換熱器及熱泵換熱器具有較高的傳熱效率，而且消耗功率較低。

 

  環(huán)路的流量與熱泵換熱器的負荷及熱泵進(jìn)、出口介質(zhì)溫差有關(guān)。

 

  當熱泵的負荷一定時(shí)，循環(huán)流量主要與熱泵進(jìn)、出口介質(zhì)的溫差及流體的比熱容、密度有關(guān)。對于冷(熱)負荷為1kW的熱泵，當流量大于1.92m3/h時(shí)，熱泵系統的效率不再提高，而泵的功率去口急劇增大。因此，冷(熱)負荷為1kW的熱泵建議環(huán)路流量為1.62-1.92m3/h。在制冷模式時(shí)，采用上限值；在供熱模式時(shí)，流量應等于或小于制冷模式的流量。

 

  循環(huán)泵的揚程由環(huán)路的阻力損失來(lái)確定，而且環(huán)路阻力損失直接影響循環(huán)泵的耗功量。循環(huán)泵的耗功量主要由環(huán)路的流量所決定。當循環(huán)泵的效率和環(huán)路流量一定時(shí)，耗功量與循環(huán)介質(zhì)的容重及環(huán)路的阻力系數有關(guān)。

 

  【五】地下水源熱泵系統的設計

 

  地下水源熱泵系統設計主要有以下幾個(gè)步驟。

 

  1.收集資料

 

  試驗井的水量和水質(zhì)觀(guān)測資料，以及有關(guān)的水文地質(zhì)資料。

 

  2.地下水總需求量的計算

 

  冬季和夏季系統對地下水的需求量與水源熱泵性能、地下水溫度、建筑物內循環(huán)溫度和冷熱負荷以及熱交換器的類(lèi)型有關(guān)。

 

  3.確定地下水井的數量和位置

 

  根據試驗井的試驗結果，確定每口井的出水量。然后根據上述所計算的地下水總需求量確定井的數量，并布置井位。

 

  4.管道的布置

 

  根據井位布置和各井之間的管線(xiàn)及其與建筑物聯(lián)結的總管線(xiàn)，就可選擇管徑和計算管道系統的壓力降。

 

  5.換熱器的選擇

 

  對于間接供水系統，可根據地下水總需求量、建筑物內循環(huán)水量和地下水溫度、建筑物內循環(huán)水溫來(lái)選擇換熱器，常用的換熱器為板式換熱器。

 

  6.地下水源熱泵系統中地下水回水的處理

 

  為避免地面沉降、保護環(huán)境和水源，回水的處理是十分重要的。一般可采用地表排放和地下回灌兩種方式。采用地表排放方式時(shí)，附近必須有合適的地表水體(江、河、湖、塘)。但最理想的辦法還是系統中設有專(zhuān)門(mén)的回灌井，并形成封閉的地下水循環(huán)系統。

 

  【六】地表水源熱泵系統的設計

 

  地表水源熱泵系統的設計主要是換熱器的設計。目前國內應用開(kāi)放式地表水源熱泵系統比較多，其設計過(guò)程與地下水源熱泵系統類(lèi)似，具體設計方法可參考相關(guān)手冊。而封閉式環(huán)路地表水源熱泵系統，國內目前尚未采用。在地表水源熱泵系統的設計中應注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

 

  ①測定地表水體不同深度處溫度變化是地表水源熱泵設計的一項主要工作。

 

  ②對于封閉式環(huán)路，管道材料一般采用高密度聚乙烯管(HDPE)或銅管。管子宜繞成盤(pán)形。

 

  ③由于冬季地表水溫較低，一般循環(huán)水中要用防凍液，常用的防凍液有氯化鈣、丙烯乙二醇、酒精、甲醛等，也可參考有關(guān)文獻資料。