地源热泵技术及设计方法

文/李冬梅、郑华 北京炎黄联合国际工程设计有限公司 北京 100190

地源热泵技术及设计方法

文/李冬梅、郑华 北京炎黄联合国际工程设计有限公司 北京 100190

随着地源热泵在国内外的研究和应用的日益广泛，它的节能应用特性受到了越来越多的关注，它的适用性和局限性也成为众多学术研究人员及工程技术人员的广泛关注，而其具体的设计方法也成为设计人员争论的焦点。本文结合实际工程经验对此进行探讨。

地源热泵；技术；设计

With the externsive research and application of GSHP(Ground-source heat pump) technology,its energy saving characteristics have received more and more attention,and its applicability and limitations have become the focus of attention for many academic researchers,designers and engineers. So the specific design method has also become the focus of controversy for designers.The paper discussed the design method of GSHP based on practical engineering experience.

暖通空调业的发展为人类创造了良好、舒适的工作和生活环境，同时也消耗了大量的矿物燃料，破坏了生态环境、造成空气污染，人类对环境的破坏和污染让人心痛，频繁的雾霾已严重影响了大家的正常生活。因此对暖通空调在采用新能源、新技术方面进行改造与创新，已成为全人类的新任务。

1、地源热泵系统介绍

地源热泵系统就是一种以地球浅表层蕴藏的浅层地能（包括地下水、土壤、地表水等）为低品位热能，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位热能向高品位热能的转移，改变温度，进而实现对建筑物冬季供暖、夏季供冷的目的。浅层地能分别在冬季作为热泵供暖的热源，在夏季作为热泵供冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去，供给室内制冷。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

地源热泵环境系统采用竖直地埋管土壤换热器地能采集系统，它与传统热泵系统相比，更安全、更稳定，即不会受地下水位变化的影响，也不会对地下水和地质结构造成任何损害。

2、地源热泵环境系统设计方案

以山东省某小区实际工程为例，住宅区冬季热负荷9276KW,住宅区夏季冷负荷12368KW。

地源热泵系统由三部分组成：能量采集系统、能量提升系统、能量释放系统。

2.1 能量采集系统

能量采集系统是地源热泵环境系统的重要组成部分，就如同锅炉系统中燃气、油等燃料。能量采集系统的选择与项目所处地理位置的地质情况息息相关，本次设计采用竖直地埋管土壤换热器系统的换热方式。

竖直地埋管土壤换热器系统的换热方式为两管制垂直式地耦管换热方式，即打一定深度、一定数量的竖孔，每个孔内埋设一对双U型地耦管，所有的地耦管通过集水管路汇集并在管道末端设置循环泵，与室内热泵机组的换热器形成一个闭式系统，通过中间介质（通常驻为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋设于土壤内的封闭环路（地壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的，最终将提取的浅层地能供给能量提升系统。

（1）竖直地埋管土壤换热器系统形式：

为了充分利用场地面积和保证足够的换热量，竖直地埋管土壤换热器形式采用双“U”型地埋管，竖直地埋管采用高密度聚乙烯管PE100、管材公称压力为1.6Mpa，外径为DN32，壁厚3mm，工作温度为-20℃～50℃。高密度聚乙烯管PE100具有低温抗冲、抗磨损、连接可靠、导热系数高等特点。

竖直地埋管土壤换热器安装完毕后，需要对竖孔进行回填，保证换热器与土壤的换热效率，所以回填是竖直地埋管的重要环节。回填材料介于竖直地埋管与钻孔壁之间，用于增强埋管和周围岩土的换热，同时防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表水污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。参照《地源热泵系统工程技术规范》，本工程设计回填材料采用原浆和细纱的混合浆，确保钻孔灌浆密实，无空腔，换热系数高。

（2）竖直地埋管土壤换热器数量设计计算：

1）依据相关山东建筑大学地源热泵研究所对本地块测量提供的《岩土热响应测试报告》。确定De32管径的双“U”地埋管冬季每米的换热量约为45 W，夏季换热量约为65 W。

2）竖直地埋管土壤换热器钻孔长度计算

所需的土壤换热器钻孔长度为：

1.冬季供热工况：

按照120m孔深，5.0m间距进行设计，布孔数为1885个，竖直地埋管土壤换热器管道总长度22620m，满足工程冷、热负荷需求。

按照120m孔深，5.0m间距进行设计，布孔数为388个，竖直地埋管土壤换热器管道总长度46560m，满足工程冷、热负荷需求。

（3）竖直地埋管土壤换热器的布置：

竖孔可以布置在小区绿化空地上，另外也可以安置在行人道，地下室车库地面等地方，尽量避免安置在承重路，或者市政管线其中的地方，减少由于其他工程的实施，造成对竖孔的破坏。施工时注意避开场地内其它管线，竖直地埋管设计钻孔直径不小于150mm，钻孔间距为5米。地埋管中水流速：保证在0.4～0.6m/s之间，地埋管内流体保持紊流流态，并确保系统及时排气，保证换热器的换热效率。

（4）竖直地埋管土壤换热器水平外线：

1）连接方式：地埋管换热器设计采用同程并联方式，流体流过各埋管的流程相同，各埋管的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀，可用较小管径的管子，因此成本较低。地埋管换热器供、回水分别集中到总管汇入机房内接入地源侧水泵。

2）水平干管：水平干管供回水管间距为0.6m，埋深为2.0m左右，沟槽宽度为1～1.2m。水平PE管铺设坡度保证为0.2%，局部下凹保证不大于2倍的水平管径。

3）管道连接：选用成品管件连接。

2.2 能量提升系统

（1）冷热源主机确定：

根据本工程冷热负荷，设计选用7台某品牌地能热泵主机满足建筑冬季供暖、夏季制冷的要求。冷热源主机工况如下：

制热工况：蒸发器进出水：15/10℃，冷凝器进出水：40/45℃，制热量1950KW，输入电功率450.1KW。

制冷工况：蒸发器进出水：12/7℃，冷凝器进出水：25/30℃，制冷量1780KW，输入电功率334.0KW。

（2）冷热源主机运行配置：

冬季开启5台地能热泵主机为建筑供暖。

夏季开启7台地能热泵主机为建筑供冷。

2.3 能量释放系统

能量释放装置设于建筑内，其主要功能是将提升后的能量释放至环境内。本工程住宅楼末端夏季采用风机盘管为建筑制冷，冬季采用地板采暖系统为供暖。

结语：

通过实际工程的设计与运行，地源热泵环境系统技术的优势：

1）高效节能、美化建筑

地源热泵环境系统比传统空调系统运行效率要高约30－50%；全年的运行费用要比热网集中供热或燃煤供热系统降低20－60%。

地源热泵环境系统不需锅炉，也不需家用空调外机，使建筑与环境更加赏心悦目。

2）绿色环保、一机多用

地源热泵环境系统省去锅炉和锅炉房，全年仅采用少量电力这种清洁能源，彻底解决了锅炉造成的大气污染的问题。由于提高了能源的利用效率，大大减少了由于建筑供热空调产生的CO2的排放量，系统运行时没有任何固态、液态和气态污染物的排放。同时避免了地下水源热泵系统可能造成的对地下水的浪费和污染。它是一种清洁的可再生能源，具有极大的环境效益。

地源热泵环境系统可冬季供暖、夏季供冷，一机多用，结构紧凑、节省建筑空间。

[1]地源热泵系统工程技术规范.中华人民共和国国家标准.

[2]恒有源地源热泵应用技术规程《企业标准》.

李冬梅（1976.12），女，工学学士，工程师；北京炎黄联合国际工程设计有限公司。