地源熱泵系統冷熱源供給部分的設計與選用

摘 要：地源熱泵是一種較新型的熱泵技術，具有環保、節能、清潔、安全、高效等特點。此系統初投資較大，在國內應用時間較短，但隨著我國經濟高速增長，社會的購買力增強，尤其在節能要求日益提高的今天，高初投資對此系統的影響越來越小，此項技術正在國內大力推廣。

關鍵詞：地源熱泵；冷熱源供給部分；設計與選用

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：A

首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程，正是在這個背景下應用了地源熱泵這個新技術，并且系統現場運行情況良好，此項目運用地源熱泵系統是一個成功的工程案例。本文詳細討論了地源熱泵冷熱源供給部分的設計計算及設備選型方法，通過參考文獻中查得的數據及公式逐步推導選型結論，分析了在選型中的各種問題與方案的比較。給相關工作人員提供一個地源熱泵技術在實際工程上的應用實例，為今后的相關工作提供了清晰的設計思路與選型指導。

通過此篇論文，希望能提高大家對地源熱泵系統的認識，并努力學習運用此類利用再生能源、保護環境、節能減排的新型技術，在科技高速發展的今天，實現可持續發展，共同建造一個舒適和諧的美好家園。

一、地源熱泵系統概述

地源熱泵系統是利用地球表面作為冷熱源，將低品位熱能轉化為用于供熱的高品位熱能以及用作制冷時的冷卻水的空調系統。在冬季，地源熱泵系統通過埋在地下的封閉管道（稱為地下換熱器）從大地收集自然界的熱量，而后由環路中的循環水把熱量帶到室內。再由裝在室內的地源熱泵系統驅動的壓縮機和熱交換器把大地的能量集中，并以較高的溫度釋放到室內；在夏季，此運行程序則相反，地源熱泵系統將從室內抽出的多余熱量排入環路而為大地所吸收，使房屋得到供冷。

二、工程概況

本工程為首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程，由兩棟辦公樓組成，總空調面積為4300m2，總采暖面積為7200mm2。此處0～100m為土壤層，地質條件良好；有充裕的室外空間做地能井系統；廠區無外部冷熱源供給；業主要求系統安全、環保并且節能。綜合考慮以上情況，本方案設計采用地源熱泵系統，冬季用于供暖、夏季用于制冷。

三、負荷計算

方案設計階段，建筑物的冷熱負荷可采用面積負荷指標估算的方法計算。

（1）熱負荷：Qr=F·q1/1000，式中：F—建筑面積（㎡），q1—熱負荷指標（W/㎡）。

（2）冷負荷：Qc=n· F·q2/1000，式中：F—建筑面積（㎡），q2—冷負荷指標（W/m2）。

由于辦公樓內會議室較多，且采暖房間多集中在北側，因此冷熱負荷指標取上限值。采暖面積=7200m2；熱指標=95W/m2；熱負荷=684kW；空調面積=4300 m2；冷指標=130 W/m2；冷負荷=559 kW。

四、冷熱源設備選型

1 地源熱泵機組選型

根據以上計算，總的冷負荷為559KW，總的熱負荷為684KW。

根據奇威特地源熱泵機組的性能參數，選用1臺VVVSN700機組，以滿足目前建筑物冬季供暖、夏季制冷的需求。

2 地下熱交換器設計與選型

（1）地能井系統負荷計算

根據建設單位對暖通專業的要求，本方案采用地埋管方案。

（4-1）

（4-2）

其中 Q'1夏季向土壤排放的熱，kW；Q1：夏季設計總冷負荷，kW；Q'2：冬季從土壤吸收的熱量，kW；Q2：冬季設計總熱負荷，kW；COP1：設計工況下機組的制冷系數；COP2：設計工況下機組的供熱系數。

根據以上參數表計算：Q'1=559×（1+1/5.3）=665kW；Q'2=684×（1-1/4.5）=532kW

（2）選擇熱交換器形式

熱交換器有水平或垂直兩種形式。考慮到現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根據埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水溫地質條件的限制。U型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環路有3種，其中使用最普遍的是每個豎井中布置雙U型管。

（3）串聯或并聯

地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。即本方案采用雙U型管并聯同程的熱交換器形式。

（4）選擇管材

一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩定并且耐腐蝕。常規空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多。所以，土壤源熱泵系統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，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統。本方案采用聚乙烯（PE）水管。

（5）確定豎井埋管管長

地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為70m～100m（孔深），夏季釋放熱量為70～80W/m，冬季提取熱量為55～65W/m，水平埋管為10～20W/m（管長）左右。根據甲方提供的對地下土壤參數，30米深以下為基巖，我方建議繼續向下打孔，打到大約100米深，夏季釋放熱量約為70～80W/m，冬季提取熱量為60～70W/m。

設計時可取換熱能力的下限值，即夏季釋放熱量約為70W/m（管長），冬季提取熱量為60W/m具體計算公式如下：

夏季：L=Q'1×1000/70

其中：L—豎井埋管總長，m；Q'1-夏季向土壤排放的熱量，kW；分母“70”是夏季每m管長散熱量，W/m

本方案中L= Q'1×1000/70=665×1000

/70=9500m

冬季：L=Q'1×1000/60

其中：L—豎井埋管總長，m； Q'2—冬季向土壤提供的熱量，kW ；分母“60”是冬季每m管長提供熱量，W/m。

本方案中L= Q'2×1000/60=532×

1000/60=8866m

（5）確定豎井數目及間距

豎井深度為100m，代入下式計算豎井數目：

N=L/H （4-3）

其中 N—豎井總數，個；L—豎井埋管總長，m；H—豎井深度，m；關于豎井間距：U型管豎井的水平間距一般為4-5m。夏季本方案中N=L/H=9500/100=95（個孔），冬季本方案中N=L/H=8866/100=89（個孔）。

打孔個數按照夏季系統豎井數量確定，為95個，占地約為1.5萬平方米，待地能井系統施工完畢后，此區域可進行綠化。

（6）確定管徑

在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱，需要綜合考慮。一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下，對較大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當量長度以下，本工程地下熱交換器水流量為80m3/h，地埋管選用32mm管徑。

結論

根據前文分析情況，為保證系統安全穩定運行，熱泵機組以冬季可提供的熱量為基準選型；地能井系統的負荷需要根據地源熱泵機組的制冷制熱系數進行修正，然后依據夏季的散熱情況來確定打孔個數。經過投資費用和系統運行質量的比較，地下熱交換器采用雙U型管并聯同程的熱交換器形式。地埋管采用聚乙烯（PE）水管。垂直埋管孔深大約為100m深，95個管孔，占地約為1.5萬平方米。

地源熱泵系統的初投資比傳統的空氣源熱泵高，但它的運行費用較低，系統安全可靠，維護量小、運行穩定，并且比風冷熱泵節能約40%。

本套地源熱泵系統的設計選型方案密切結合工程實際，在保證了系統運行效果的前提下，優化方案，節省了投資，得到業主的好評，并對今后的類似工程開展起到很好的指導的作用。

參考文獻

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