地源熱泵系統設計及工程實例介紹目錄第一節概述第二節地下換熱系統設計第三節熱泵機房及末端系統設計第四節工程實例第一節概述本文所指的地源熱泵系統包含淺層地下水源熱泵系統和地埋管式地源熱泵系統；本類系統主要由三部分組成：1、水井、地埋管等地下換熱系統安全可靠性、初期投資2、熱泵機房系統滿足負荷需求節能性3、室內末端系統室內使用效果末端設備末端設備冷凝器蒸發器膨脹水箱循環泵制冷劑液體膨脹閥壓縮機制冷劑氣體地表室外水井、換熱孔t=45~50℃t=50~55℃t=10~15℃t=5~7℃熱泵機房系統用戶（末端）系統室外換熱系統地源熱泵系統組成第二節地下換熱系統設計一、淺層地下水源熱泵系統1、概述形式：同井抽灌、異井抽灌目前的項目多采用異井抽灌適用范圍：地下水文地質條件比較好區域的項目設計時應遵循的原則：地下水換熱系統應根據水文地質勘察資料進行設計。必須采取可靠的回灌措施，使抽取的地下水能夠全部回灌，且不將受污染的水與未受污染的水混采和混灌。地下水的持續出水量應滿足水源熱泵系統最大吸熱量或放熱量的要求。(1)收集地質、水文地質資料首先應收集項目地的地質、水文地質資料，結合項目負荷情況以及場地條件，初步判定是否能采用該系統。規模較大、沒有水井資料的項目，在設計前應鉆試驗水井，評價單井的出水能力和回灌能力。2、設計程序及思路地下換熱器的負荷與建筑物的供熱、制冷及供生活熱水的設計負荷有關，其換熱量應滿足系統正常運行工況時的最大吸熱量或最大放熱量的要求，計算公式如下：最大放熱量Q1=[建筑冷負荷×(1+1/EER)](1)最大吸熱量Q2=[建筑熱負荷×(1-1/COP)](2)（注：COP為機組制熱性能系數，EER為熱泵機組制冷性能系數，機組COP值與工況有關，在計算時應考慮地下水溫度和末端形式。）得出最大吸熱量與最大放熱量相當時，應分別計算供熱、制冷工況下所需地下水量，并取其大者；當兩者相差較大時，根據項目規模，可采用輔助設備調峰解決，使系統更經濟合理。(2)計算地下換熱器的負荷(3)水量的確定

根據供暖制冷工況下，水環路的最大放熱量和最大吸熱量計算。初步估算流量時的可參照如下公式進行：

a、夏季制冷工況下：q1=3600Q1/ρcp(t2-t1)(3)式中：q1為夏季制冷時所需地下水量(m3/h)；Q1為夏季設計工況時換熱器最大換熱量(kw)，據公式(1)求得；ρ為水的密度(kg/m3)，可取1000kg/m3；cp為水的定壓比熱容，可取4.18kJ/(kg·℃)；t1為進入機組換熱器的地下水溫度(℃)；t2為出換熱器的地下水溫度(℃)。

代入值公式簡化為：

q1=Q1/[1.163(t2-t1)]

例題某建筑夏季總冷負荷500Kw，機組EER為5.0，根據（1）式計算Q1＝500（1+1/5）＝600(Kw)最大需水量計算為(溫差為11℃)：q1＝600/（1.163×11）＝46.9(m3/h)該建筑物熱泵系統夏季需地下水最大抽水量為46.9m3/h。b、冬季供暖暖工況下：q2=3600Q2/ρcp(t1-t2)(4)式中：q2為采暖時所需地下下水量(m3/h)；Q2為冬季設計工況時時需要提取的熱量量(kw)，據公公式(2)求得；；ρ為水的密度(kg/m3)，可可取1000kg/m3；cp為水的定壓比熱容容，可取4.19kJ/(kg··℃)；t1為進入機組換熱器器的地下水溫度(℃)；t2為出換熱器的地下下水溫度(℃)。。代入值公式簡化為為：q2=Q2/[1.163(t1-t2)]例題：某建筑物冬季熱負負荷500Kw，，機組COP值4.0，根據（2）式計算Q2＝500（1-1/4.0）＝375(Kw)最大需水量計算為為(計算溫差為7℃℃)：q2＝375/（1.163×7）＝＝46.1(m3/h)該建筑物熱泵系統統冬季需要地下水水最大循環量為46.1m3/h。由公式(3)、(4)計算地下水水流量，取較大值值46.9m3/h作為所需要的地下下水流量。(4)井深的選選擇抽灌水井的深度主主要由項目所在地地的水文地質條件、取水層位決定；水井的深度一般在在100m左右，否則會導鉆鉆打井成本的升高高。如果地下水位埋深深較淺，淺部有較較好的含水層，如如單層厚度大于5m的粗砂以上地層，，也可以減少井深深只取上部含水層層的水，井深可在在50~60m之間。(5)井徑和井井管井的直徑可以為500~800mm，井管直徑一一般為300~500mm，一開開到底。井管可選選焊接管或卷焊管管，也可選鑄鐵管管，不宜用水泥管管，因為其使用壽壽命短。濾水管可可用打孔外纏絲鋼鋼管或橋式濾水管管。(6)濾水管的的位置鉆孔后應進行電阻阻率和自然電位或或自然伽瑪測井，，根據測井曲線解解釋的含水層位置置決定排管方案。。一般取水井水位以以下15或20m之內不應下濾水水管，一是考慮動動水位的下降，二二是考慮留出潛水水泵的長度和位置置，避免抽空和進進水口距濾水段太太近（應大于2m）。井內其它濾濾水管的位置要視視含水層的分布情情況而定，一般選選井內較厚的、顆顆粒較粗的2~3層為主力水層。。粉細砂和較薄的的水層（1~2m）不宜保留，以以免造成出砂等后后患。專用的回灌井應下下有回揚泵，其它它要求同抽水井。。(7)井數的考考慮要用較少的井完成成需要的取水量，，單井的出水能力力以5m降深考慮慮。由系統所需最最大水量除以單井井出水量得到抽水水井數。回灌井數量應根據據各地水文地質條條件確定，一般應應等于或多于抽水水井數量。根據水源熱泵供暖暖的特點，可以采采用適當提高利用用溫差的方法減少少地下水的用量。。提高利用溫差的的方法有多機組串串聯用水和單機混混水法或板換隔離離法。(8)其它井間距：井間距應應根據各地水文地地質條件確定，一一般不小于50米米；水平連接管：目前前的設計中一般都都將每眼水井均設設計為可抽灌互用用型，在水平連接接管的設計上一般般都采用雙管路系系統，通過閥門的的切換實現水井功功能的轉換。在項目實施時，每每眼水井在完井后后均應做抽水試驗驗和回灌試驗，結結合試驗數據對設設計做進一步校正正。第二節地地下換熱系統設計計二、地埋管熱泵系系統1、概述形式：水平埋管、垂直埋管水平埋管因占地面面積大、受氣候影影響大等缺點，目目前應用較少。而而豎直埋管因其占占地少、工作性能能穩定等優點，已已成為工程應用中中的主導形式。優點：（1）不依賴地下水，適適應區比較廣。（2）該系統不抽取地地下水，不干擾地地下水管理。（3）換熱層位多，適適用范圍大，熱儲儲量較大。（4）系統運行維護工工作少。缺點：（1）通過管壁傳導換換熱，而管內外的的溫差一般不大，，因此，需要較大大的換熱面積，從從而造成系統初投投資較大。（2）隨著機組負荷荷的變化，管中中水的溫度不穩穩定，造成工況況不穩定和熱量量損失，在極端端天氣條件下機機組的性能系數數較低。（3）與地下水換熱熱系統比運行費費用稍高。適用范圍及優缺缺點（與淺層地下水水源熱泵相比））設計時應遵循的的原則：地埋管換熱系統統應根據地質、、水文地質勘察察資料以及土壤壤的熱物性參數數進行設計。地埋管換熱器的的換熱量應滿足足地源熱泵系統統最大吸熱量或或放熱量的要求求。(1)工程勘勘查，地層熱物物性測試在系統的設計初初期，應對工程程場地進行工程程地質勘查，包括巖土體熱物性、、巖土體溫度隨隨深度和季節的的變化、地下水水分布情況及動動態特征、凍土土層厚度的勘查查。如項目所在地區區有巖土體熱物物性參數時，可可直接應用，否否則應采用現場場熱響應法進行行測試。2、設計程序及及思路熱響應測試原理理：將地埋管換換熱器與加熱/制冷設備（測試試儀器）連接，，通過向地下輸輸入熱量，模擬擬夏季制冷工況況；通過向地下下輸入冷量，模模擬冬季采暖工工況。在向地下下輸入冷、熱量量的同時，不斷斷記錄進出管的的溫度和流量，，來計算地層的的換熱能力（地地層導熱系數K、單位延米換熱熱孔換熱量w/m)熱響應測試的方方法：恒熱流測試法可控工況測試法法熱（冷）響應測測試車原理簡圖圖熱響應測試(2)計算地地下換熱器的負負荷負荷與建筑物的的供熱、制冷及及供生活熱水的的設計負荷及系系統運行所需要要的能量負荷有有關。換熱器的的換熱量應滿足足系統正常運行行工況時的最大大吸熱量或最大大放熱量的要求求，計算公式同同(1)、(2)。地埋管換熱器需需要5~10℃℃的換熱溫差，，冬季取熱時管管內液體的平均均溫度比地層溫溫度低5～10℃，夏天可高高10～20℃℃，以管內設計計溫度確定機組組的COP值。。計算得出最大吸吸熱量與最大釋釋熱量相當時，，應分別計算供供熱、制冷工況況下換熱器埋管管的長度，并取取其大者；當兩兩者相差較大時時，根據項目規規模，宜采用輔輔助設備調峰解解決，使系統更更經濟合理。(3)地埋管管換熱器埋管形形式的選擇埋管形式可以分分為如下幾種：：水平埋管垂直埋管單U型雙U型(比單U提高15%的換熱量)垂直埋管布孔形形式等間距布孔（正正方形布孔）梅花型布孔（等等邊三角形布孔孔）(4)埋管長長度的確定根據計算算的負荷荷、巖土土層熱物物性參數數、所選選的地理理管形式式及熱泵泵參數，，通過軟軟件模擬擬的方法法，計算算得出埋埋管總長長度。目前實際際工程中中，常利利用單位位埋管深深度的換換熱量來來計算換換熱管的的長度，，一般垂垂直埋管管的單位位深度換換熱量為為30～～70W/m(利用溫溫差為10～15℃)之間，，放熱大大于吸熱熱。該數數據需要要通過熱熱響應測測試獲得得。埋管長度度可按如如下公式式計算：：L=1000Qmax/ql(5)式中：L為埋管管換熱器器總長(m)；；ql為最最大利用用溫差的的每米換換熱功率率(W/m)，，一般由由接近實實際工況況的現場場換熱試試驗取得得；Qmax為夏季向向埋管換換熱器排排放的最最大功率率與冬季季從埋管管換熱器器吸收的的最大功功率中的的較大值值(KW)上述計算算地埋管管換熱器器管長的的方法，，適用于于最大吸吸熱量與與最大放放熱量相相差不大大的工程程，設計計長度選選兩者中中較大的的。如兩者相相差較大大，宜用用較小值值確定管管道的長長度，兩兩者相差差的負荷荷采用輔輔助設備備的方式式解決，，如增加加冷卻塔塔或輔助助熱源。。這樣一一方面減減少工程程量，降降低初投投資；另另一方面面也可減減少因吸吸熱與放放熱不平平衡引起起巖土體體溫度的的持續變變化的可可能性。。(5)孔孔深、、孔徑、、孔數、、孔間距距的確定定換熱孔深深度的確確定：結合現場場的地質質條件與與鉆機的的經濟鉆鉆進深度度，一般般基巖地地層鉆進進深度不不超過120米，第四四系地層層一般不不超過150米。結合現場場可布設設換熱孔孔的面積積，面積積大則選選擇的余余地大，，面積小小則選擇擇的余地地小。換熱孔直直徑的確確定：結合現場場的地質質條件，，一般第第四系地地層，尤尤其是粘粘土含量量大、縮縮徑嚴重重地層換換熱孔的的直徑會會比較大大；一般般基巖地地層換熱熱孔的孔孔徑相對對較小。。結合布管管形式，，一般雙雙U型比單U型的孔徑徑大。第四系地地層一般般在180~300mm之間，基基巖地層層一般在在100-180之間。換熱孔數數量的確確定：N=L/H式中：N為鉆井數數(個)；L需要的換換熱孔的的總長(m)；H為換熱孔孔單孔深深度(m)；換熱孔間間距的確確定：場地條件件：場地地有限可可適當減減小間距距。熱干擾半半徑：地地層導熱熱性好，，熱傳遞遞快，單單個換熱熱孔的換換熱能力力高，熱熱擴散半半徑大，，孔間距距大；相相反則小小。施工成孔率：目前前換熱孔施工的鉆鉆機的控斜能力不不強，換熱孔很容容易傾斜，當孔間間距較小時，容易易造成穿孔。換熱熱孔深度大，間距距可適當加大，相相反則小。應綜合考慮以上三三方面因素，確定定換熱孔的間距，，一般在3~7米之間。換熱管選擇換熱管材料和規格格：主要有PE80和PE100兩種材料的管材，，垂直管一般采用用SDR11系列的管材，水平平連接管一般采用用SDR17系列的管材換熱管直徑：垂直直埋管雙U型一般采用D25與D32的PE管，單U型的一般采用D40的PE管；水平連接管的直徑徑根據管內流量進進行選擇。孔深、孔間距、孔孔數、管材等要綜綜合考慮，使其既既能滿足現場條件件的要求，又能滿滿足系統對換熱孔孔冷、熱量的需求求。(6)確定流速速加大流速可以增強強換熱，但過快的的流速會增大管道道沿程阻力損失，，增大水泵的用電電消耗。根據地埋管換熱器器的布置形式和采采用的換熱液特征征，應使換熱液處處于紊流狀態，流流態形式主要通過過雷諾數Re來進進行判斷：Re<2000為層流2000<Re<4000為從層流到紊流的的過渡態Re>4000為紊流Re具體計算過程程（1）確定通過管管道的流量Qv(m3/h)、管子公稱稱直徑和液體特性性；根據公稱直徑徑，確定管子的內內徑Di(m)。。（2）計算管子的的斷面面積A(m2)。（3）計算流速υυ(m/s)，υυ=Qv/3600A。（4）計算液體的的雷諾數Re，Re=ρυDi/μ一般，D32雙U型管路流量取1～2m3/h，流速速0.26～0.53m/s，雷諾數數Re5195~10389(7)環環路形式的的選擇各個換熱孔孔之間有串串聯和并聯聯兩種連接接方式串聯方式：幾個個換熱孔之之間串聯成成一個流動動通道。該該種方式主主要用于換換熱孔深度度較淺，單單孔換熱量量小，單孔孔進出口溫溫差小的系系統中，如如樁基埋管管。并聯方式：鉆孔孔間以并聯聯形式連接接，用于換換熱孔深度度較深，單單孔進出口口溫差不太太小的系統統，為常用用方式。水平連接管管的連接方方式分為同同程式和異異程式系統統。同程式系統統：傳熱介介質流經各各埋管的流流程相同，，因此各埋埋管的流動動阻力、流流量和換熱熱量比較均均勻。為了了保持系統統環路間的的水力平衡衡，在實際際工程中多多采用同程程式系統。。(8)確定換換熱介質在低緯度南方地地區，由于地下下巖土體溫度較較高，因此多采采用水作為換熱熱介質。在中高緯度北方方地區，地下巖巖土體的溫度較較低，冬季取熱熱工況下，需要要加入防凍液。。可采用的有鹽鹽類溶液，如氯氯化鈣和氯化鈉鈉水溶液；乙二二醇水溶液；酒酒精水溶液等。。但以乙二醇水水溶液居多。采用防凍液可增增大管內流體與與土壤的傳熱溫溫差，增強換熱熱，減少換熱孔孔數量，但會降降低機組的效率率，增大運行電電費。應慎用。。3、軟件設計方方法以上所講的設計計方法及思路是是目前國內工程程中常采用的方方法。國外，尤其是在在一些應用歷史史較長的國家，，多采用專業軟軟件進行設計，，設計思路一般般如下：第二節地地下換熱系統統設計三、監測系統（有條件的項目目）1、淺層地下水水源熱泵定期取水樣，對對水質進行監測測；對抽水井、回灌灌井的抽灌水量量和水位進行監監測。2、埋管式地源熱熱泵系統埋設溫度傳感器器，對地溫場進進行長期監測第三節熱熱泵機房及末末端系統設計一、機房系統1、系統配置上上單一系統對于冷熱負荷差差別不大，規模模較小的系統復合式系統對于規模較大的的系統，或冷熱熱負荷相差較大大，可能引起冷冷熱不平衡而造造成地溫場持續續升高或降低的的項目。可采用的復合式式系統一般有：：鍋爐冬季采暖暖調峰、冷水機機組+冷卻塔夏季制冷冷調峰、冰蓄冷冷夏季日間制冷冷調峰。2、系統的可調調控性系統的可調控性性直接關系到系系統的節能性熱泵機組的臺數數：對于500KW以上的項目，最最好選擇2臺或以上，在部部分負荷運行時時，可以達到節節能，減少大馬馬拉小車的現象象水泵變頻、或采采用二級泵系統統、或水泵與熱熱泵機組聯動等等，可減少水泵泵的電耗。3、水源熱泵系統統注意除砂對機組的磨損對回灌井的堵塞塞二、末端系統1、系統供水溫溫度冬季供水溫度一一般在50℃左右；夏季供水溫度一一般在7℃左右2、適合的末端形形式地板輻射采暖、、風機盤管、頂頂棚輻射等方式式，不適合采用用散熱器采暖第四節工工程實例介紹紹一、中國地質大大學科研綜合樓樓水源熱泵項目目單一型水源熱泵泵系統二、天津國際貿貿易與航運服務務區2#寫字樓地源熱泵泵項目復合式地源熱泵泵系統一、中國地質大大學科研綜合樓樓水源熱泵項目目1、概述本工程位于中國國地質大學（北北京）校園北部部，緊鄰城府路路，使用性質為為科研樓，該樓樓需要冬季供暖暖、夏季制冷。。工程總建筑面面積28974.50㎡，其中：地下3層，建筑面積8942.10㎡,地上12層，建筑面積20032.80㎡。夏季空調冷負荷荷：2384kw；冬季供暖負荷荷：1849kw。初步了解該區第第四系水文地質質條件較好，含含水層地層顆粒粒較粗，適合采采用水源熱泵系系統。2、換熱水井系系統設計需要提取和釋放放的熱量夏季需要向地下下水釋放的熱量量Q1=2384*(1+1/5.5)=2817KW冬季需要從地下下水提取的熱量量Q2=1849*(1-1/4.5)=1438KW需要的地下水量量夏季需要的地下下水量q1=Q1/(1.163*（26-15）)=220m3/h冬季需要的地下下水量q2=Q2/(1.163*(15-8))=177m3/h兩者取較大的，，因此最大需水水量為220m3/h井深、單井出水水量、井數設計計根據區域水文地地質條件結合已已成水井情況，，該區第四系含含水層巖性為砂砂礫石，礫石等等，主要分布在在三個層段，厚厚度較大，賦水水條件較好，水水位埋深約30m（以地面計），，水溫約15℃。該種地層的出出水、回灌能力力均較強。根據以上資料，，本項目設計水水井深度為100米，水井直徑800mm，井管直徑426mm，單井出水量設設計為110m3/h。本項目最大需水水量為220m3/h，因此鉆2眼抽水井，同時時抽水井與回灌灌井按1:1設計，即鉆2眼回灌井。最小小井間距為50米。井身結構根據測井及錄井井資料，濾水管管的位置為47.4~56.5米的卵石層，63.4~75.8米的中粗砂、礫礫砂層，采用橋橋式濾水管。其其余采用卷焊管管。47.4米以上用粘土封封井，47.4米以下下入2~4mm的濾料。井身結構如右圖圖：成井后的抽水、、回灌試驗靜水位為31.8米，水溫17.8℃抽水試驗:兩個落程的抽水水試驗，穩定時時間24小時，抽水試驗驗結果如下：Q1=115m3/h,S1=4.2mQ2=80m3/h,S2=1.9m回灌試驗：一一個升程的回回灌試驗，穩穩定時間24小時，回灌試驗結結果如下：Q=115m3/h,S=7.6m其它水平管連接：采用用雙管路系統，通通過閥門的切換，，每眼井既可以作作為抽水井，又可可作為回灌井；在每眼水井中均安安裝潛水泵，作為為回灌時的水井內內的水泵可以作為為回揚用（在回灌灌不暢時，進行反反抽）。潛水泵采用變頻控控制，通過回灌水水的溫度來進行控控制。二、天津國際貿易易與航運服務區2#寫字樓地源熱熱泵項目1、概述本工程位于天津保保稅區，總建筑面面積為23378.76平方米，其中地上上建筑面積為21714.12平方米，地下建筑筑面積為1664.64平方米。地上13層，地下1層。夏季空調冷負荷：：2525kw；冬季供暖負荷：：1713kw。該區第四系厚度較較大，在400米以淺，地層主要要以粘土、淤泥質質粘土、粉質粘土土、細砂、粉細砂砂為主。地下水條條件差，但易鉆孔孔，比較適合采用用垂直埋管式地源源熱泵系統。2、地埋埋管換熱熱系統設設計土壤熱物物性測試試鉆一眼120米深的換換熱孔，，孔內安安裝雙U型PE100換熱管，，管徑為為D32。采用恒熱熱流方式式進行測測試，模模擬夏季季工況，，通過夏夏季工況況獲得的的結果在在計算冬冬季工況況下的換換熱量，，測試時時間為63小時，測測試儀器器加熱功功率7KW。測得地層層原始溫溫度15.1℃；測得夏季季在測試試工況下下地層的的換熱量量：58w/m(28/33℃)。推算地層層的導熱熱系數為為：1.64W/(m℃)推算夏季季設計工工況下地地層的換換熱量：：65w/m(30/35℃)推算冬季季設計工工況下地地層的換換熱量：：40w/m(8/4℃℃)需要提取取和釋放放的熱量量夏季需要要向地埋埋管中釋釋放的熱熱量Q1=2525*(1+1/5)=3030KW冬季需要要從地埋埋管中提提取的熱熱量Q2=1713*(1-1/4)=1285KW通過以上上計算可可以看出出，冬季季從地下下提取的的熱量比比夏季向向地下釋釋放的熱熱量小的的多。同時該種種地層的的自恢復復能力差差，因此此，若完完全按地地埋管的的方式進進行設計計，可能能會造成成地溫差