地源热泵工程设计方法实例讲解

地源热泵加冷却塔系统工程设计方法实例讲解
摘要：本文主要介绍了有冷却塔辅助散热地源热泵系统的设计方法和步骤，以实际工程实例论述了工程中地下热交换器的设计过程。

关键词：地埋管地源热泵板式换热器冷却塔
1.引言：随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。

地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。

冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。

地源热泵系统理论上的设计方法非常复杂，不适合工程中快速的设计计算，在此借工程实例介绍了地源热泵加辅助冷却塔系统简单实用的计算方法[2]。

2.设计实例：
工程地处天津市塘沽西区渤海石油军粮城基地，功用为综合性建筑，整体为由五个楼房组成的建筑群，维护结构有大量的玻璃幕墙，属高能耗建筑。

整体工程拟一部分采用多联机，另一部分采用埋管式地源热泵。

由于冷热负荷不相同，可能会引起周围土壤层吸热和释热不平衡，导致全年冷、热负荷失调，因此设计为双冷凝器，两套冷凝器系统，一套为冷却塔系统，另一套为地埋管系统，冷却塔水系统的换热要通过一组板式换热器来实现，[3]以使跟地埋管中的水路互不相混，为非标设计。

系统原理示意图如下：
根据设计院提供资料，地埋管部分负荷总计：
热负荷： 5300KW
冷负荷： 5800KW
1．地热换热器的负荷
最大释（吸）热量[4]：
地源热泵系统实际最大释热量发生在与建筑最大冷负荷想对应的时刻。

包括：各空调分区内水源热泵机组释放到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机功耗）、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。

将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水中的中热量。

即：
)⎡⎤⨯+⎣⎦∑∑∑1最大释热量=空调分区冷负荷（1+输送过程中得热量+水泵释放热量EER （1）
冷却塔辅助地源热泵系统示意图
地源热泵实际最大吸热量发生在与建筑最大负荷相对应的时刻。

包括：各空调分区内热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。

将上述前两项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。

即： )⎡⎤⨯+⎢⎥⎣
⎦∑∑∑1最大吸热量=空调分区热负荷（1-输送过程中失热量-水泵释放热量cop （2）
上面两式中的后两项实际工程中千差万别，很难以具体数值计算，而且跟总负荷相比，其值较小，可以忽略，故实际工程计算中可简化为下式（3）（4）：
kW (3)
kW （4）
其中Q1＇ ——夏季向土壤排放的热量，kW
Q1——夏季设计总冷负荷，kW
Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW
Q2——冬季设计总热负荷，kW
COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数
COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数
一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2 。

若样本中未表明，可以采用机组样本中制冷或制热量与相应的输入功率之比近似估算[3]。

最大吸热量和最大释热量相差不大的工程，应分别计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者，确定地埋管换热器；当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，采用辅助散热(如增加冷却塔)或辅助供热的方式来解决，一方面经济性好，[4]同时也可避免地下因吸热与释热不平衡引起岩土体温度的降低或升高。

全年冷热负荷平衡失调将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的性能，降低地埋管换热系统的运行效率。

因此，本设计中
采用了有辅助冷却塔的双冷凝系统，
此工程中总热负荷为5300KW，总冷负荷为5800KW，设计拟采用富田机组，制冷量为1379KW，型号SPRING-WM-430B-1热泵机组四台，机组COP根据上述方法估算夏季为6.9，冬季为5.1。

根据公式（3）（4）计算得地埋管承担负荷：夏季Q1=6640KW，冬季Q2=4261KW。

证地下区域全年冷热得失量相平衡，将冷负荷中不平衡的部分通过辅助的冷却塔散到大气中而不是排到地下，既保证了室内空调效果又保证了地热换热器能长期稳定的运行。

2．地热换热器设计
2.1 选择热交换器形式
2.1.1 水平（卧式）或垂直（立式）
在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。

尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根据埋管方式不同，[2]垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型。

套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。

单管型的使用范围受水文地质条件的限制。

U型管应用最多，管径一般在50mm以下，在考虑施工情况和经济条件的前提下，埋管越深，换热性能越好。

本设计中采用U型管中的双U设计，尽管单U型埋管的钻孔内热阻比双U型埋管大30%以上，但实测与计算结果均表明：双U型埋管比单U型埋管可提高15%到20%的换热能力。

这是因为钻孔内热阻仅是埋管传热总热阻的一部分。

钻孔外的岩土层热阻，对于双U 管和单U管来说，几乎是一样的。

但是双U 型埋管管材用量大，安装比较复杂，运行中水泵的功耗也相应增加。

埋设双U管有效的减少了钻孔内热阻，使单位长度U型埋管的热交换能力明显提高，因此综合比较，采用双U型设计，从经济技术上分析是较佳的方案。

另外采用双U型埋管有时候也是解决地下埋管空间不足的方法之一[4]。

2.1.2 串联或并联
地热换热器各钻孔之间可采用串联方式，也可采用并联方式。

串联系统中只有一个流体通道，而在并联系统中流体在管路中可以有两个或多个通道。

并联管路竖直式热交换器与串联管路竖直式的相比，U型管管径可以更小，从而可以降低管路费用、防冻液费用；由于较小的管路更容易制作安装，因此减少了人工费用。

U型管管径的减小使钻孔孔径也相应变小，钻孔费用也相应降低。

并联管路热交换器中，同一环路集管连接的所有钻孔的换热量基本相同；而串联环路热交换器中，每个钻孔的换热量是不同的，因为串联的各个钻孔传热温差是不一样的。

采用并联还是串联取决于系统大小、埋管深浅及安装成本高低等因素。

串联系统较并联系统采用的管径较大，而大管径成本亦高[2]。

对于并联流体通道，在设计和制造过程中必须特别注意，应确保管内流速较高以排走空气。

此外，并联管道每个管路长度应尽量一致（偏差宜控制在10%）以使每个环路都有相同的流量。

为确保各并联的U型管进、出口压力基本相同，可使用较大管径的管道作为水平集箱连管，提高地下循环管路的水力稳定性。

本设计中采用的是每四个井孔连接到一个集箱，每十个集箱连接到一个局部的小集分水器，然后全部的局部小集分水器连接到两个大的集分水器后再统一供到空调机房。

简图如下：
分组并联系统示意图
此多重并联系统最大限度的调节了地埋管部分的水力不平衡问题，充分提高了系统的运行工况和换热能力。

采用该系统还有一个突出的优点就是便于检修和控制，普通的串联系统中，一旦一口井出现堵或漏的问题，与该井孔相串联的一条系统就会无法使用，而且这种问题一出现基本无法检修，严重的可能会造成整套地埋管系统无法使用。

而采用本设计中的多重并联系统就能很容易的解决这个问题，在每个管道进分集水器前都装有能起关断作用的阀门，一旦出现问题，通过阀门的开启或关闭就能凭借压力表流量计等简单的的工具判断问题的所在，而且紧急情况下可以将此小的并联环路的阀门关闭，基本不会影响整体的使用功能。

另外在经济条件允许下，可在各并联支管上设置温度检测传感器和调节阀门，监测各并联支路循环流量的基本平衡；通过开关各并联支管的阀门，可进行不同地埋管使用的数量，从而实现各并联支路流动状况的监控和地埋管换热器随着建筑负荷的变化而开关多少的调节[3]。

作用原理图如下所示：
2.2钻孔参数确定
钻孔的几何分布形式根据甲方提供的场地确定，本方案选取矩阵型排列。

钻孔间距取6.0m×6.0m（行间距*列间距）进行计算。

钻孔半径设为0.065m。

2.3 U型管的确定
本工程拟采用双U型竖直埋管的形式。

单个钻孔的截面示意图如图1所示。

管材采用目前国际上广泛使用的高密度聚乙烯管（PE3408)，其导热系数为0.42 W/(m℃)；标准尺寸比为SDR11，管外径为25mm，内径为20mm。

两支管间距选为C型，即两根管子中心距为钻孔半径。

钻孔壁
地热器单个钻孔截面图
回填材料
型管
循环液
2.4岩土参数的确定
根据招标文件提供的地勘报告以及岩土热物性测试报告确定。

当地远端岩土温度为14.8℃。

岩土平均传热系数为2.03W/(m ℃)；容积比热2.025×106J/m 3.k
2.5循环液选择
可根据当地岩土的温度和实际需要选择循环液的类型进行选择。

本方案选择了下列表循环液。

循环液的热物性
2.6确定管径
在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。

显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。

一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm 、25mm 、32mm 、40mm 、50mm ，管内流速控制在1.22m/s 以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s 以下或一般把各管段压力损失控制在4m H 2O/100m 当量长度以下[4]。

本设计中拟
取竖直地埋管径为25mm ，校核计算如下：
由
0.86Q
G t ⨯=∆ 其中：
Q----- 单孔井承担的负荷，设计井孔数为1050，总负荷为 4261KW （其余由冷却塔系统承担），则Q 为4.05KW.
G----- 竖直地埋管内水流量 3/m h
t ∆---- 竖直埋管进出水温差，天津地区取为5℃
得到流量G 为0.698 3/m h
计算流速：
3600G v A =⨯
v----- 竖直埋管内流速 m/s
A----- 地埋管断面面积 ㎡
得到流速 v =0.27 m/s
在此，v =0.27 m/s 的意义是要达到效果要求，地埋管中的循环水的最低流速，此流速在＜1.22m/s 的允许范围内，但偏小，可通过提高地源侧循环水泵的流量来解决，因为地埋管道中的流速主要跟管径和流量有关，此设计中设计院提供地
源侧为5台，3033/m h 的卧式单级离心泵，经过计算可提供的地埋管流速为0.55m/s ，在控制范围内，拟定的25mm 管径满足设计要求。

2.7 确定竖直埋管长度
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。

工程中可以利用管材“换热能力”来计算管长。

换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般土层垂直埋管为30～40W/m(井深)，水平埋管为20～30W/m （管长）左右，本设计中采用双U 管，单位管长换热量可比单U 管提高15%，一般为50～60W/m 。

根据提供地质勘测报告，设计拟取100米井深，冬季地下土壤温度为14℃时的单位换热量60W/m ，此种情况基本可以代表冬季的平均状况，因为同等条件下冬季换热量比夏季换热量低，所以满足冬季的换热需求夏季需求也会得到满足，计算如下：
由地埋管承担负荷和单位管长换热量60W/m ，
42617101760/kw l m w m ==
得到所需总延米数为71017米 ，设计井孔数为1050口，单孔井深为67.6米，取为68米。

2.8校核管材承压能力
管路最大压力应小于管材的承压能力。

若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和，即： P=P0+ρgh+0.5Pk
其中 ｐ ——管路最大压力，Pa
ｐo ——建筑物所在的当地大气压，Pa
ρ——地下埋管中流体密度，kg/m3
g ——当地重力加速度，m/s2
h ——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
Pk ——水泵扬程，Pa
各数值取用如下：
ｐo ——建筑物所在的当地大气压，
51.0110pa ⨯ ρ——地下埋管中流体密度, 31000/kg m
g ——当地重力加速度，9.8/m s
h ——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，68m
Pk ——水泵扬程，232mH o (设计院给出)
得到管道最大压力为 0.927 MP,本工程选用管材承压能力PE80 为1.25MP ，PE100 为1.6MP 。

故选管材满足要求。

五、结论
结合以上设计，现将本工程地埋管系统设计要点总结如下：
井孔数1050，双U设计，竖直地埋管直径为25mm, 井深68m，间距6米，平行布置，连管方式为并联系统。

参考文献：
[1] 徐伟等.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，2001.11
[2] 谢汝镛.地源热泵系统的设计.现代空调，2001.3：33～74
[3] 肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例.现代空调，2001.3：88～100
[4] 方肇洪等.地埋管地源热泵技术.高等教育出版社，2006.10
集团技术部
冷文龙。