地源熱泵的計算_New

1、地源熱泵的計算地源熱泵的計算目錄 摘要1 地 然 熱 泵 介11.1 熱源91.2 組成部分91.3 主要特點91.4 形式1 21.5 可再生性1 41.6 高效節(jié)能1 41.7 優(yōu)點1 71.8 工作原理20熱泵原理22熱泵分類231.9 系統(tǒng)類型251.10 應用方式271.11 制冷原理281.12 制熱原理291.13 存在問題292土壤源熱泵系統(tǒng)設計的主要步驟132.1 建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算 142.2 地下管道設計 142.21 選擇管 材152.22 確定管徑 162.23 確定豎井管 162.24 確定豎井數目及間距172.25 計算管道壓力損失172.26

2、水泵選型172.27 校核管材承壓力18 3 其它 184設計舉 例 194.1 設計參數204.1.1 室外設計參數214.1.2 室內設計參數214.2 計算空調負荷及選擇主要設備214.3 計算地下負荷224.4 確定管材及埋管管徑224.5 確定豎井埋管管長224.6 確定豎井數目及間距224.7 計算地埋管壓力損失224.8 校核管材承壓能力225參考文獻23摘要隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(jié)能的要 求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調系統(tǒng)是建筑能耗 的主要組成部分，因此，設法減小這兩部分能耗 意義非常顯著。地源熱泵供熱空調系統(tǒng)是一種使 用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)1。 冬季通過吸

3、收大地的能量，包括土壤、井水、湖 泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放 熱量，給建筑物供冷。相應地，地源熱泵系統(tǒng)分 土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵 系統(tǒng)3種形式。土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地熱交 換器。地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式 是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到 地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器， 需要 二次換熱。地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用 潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器 替代土壤熱交換器。雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能 好，能耗低，性能系數高于土壤源熱泵，但由于 地下水、地表水并非到處可得，且水質也不一定 能滿

4、足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國 外（如美國、歐洲）主要研究和應用的地源熱泵 系統(tǒng)以及我國理論研究和實驗研究的重點均是 土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設計數據以及較 具體的設計指導，本文進行了初步探討，以供參 考。地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高 品位能源（如電能）實現由低品位熱能向高品位 熱能轉移。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用 戶可以得到4.4kWh以上的熱量或冷量。1地然熱 泵的介紹"地源熱泵”的概念，最早在1912年由瑞士的 專家提出，而這項技術的提出始于英、美兩國。 北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬 夏聯(lián)供。由于美國的氣候條件與中國很相似， 因 此研

5、究美國的地源熱泵應用情況，對我國地源熱 泵的發(fā)展有著借鑒意義1.1 熱源地源熱泵已成功利用地下水、 江河湖水、水庫 水、海水、城市中水、工業(yè)尾水、坑道水等各類 水資源以及土壤源作為地源熱泵的冷、熱源 。1.2 組成部分地源熱泵供暖空調系統(tǒng)主要分三部分：室外地 能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機組和室內采暖空調末端 系統(tǒng)。其中地源熱泵機主要有兩種形式：水一 水式或水一空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換 熱介質進行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換 熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可 以是水或空氣。3主要特點(1)地源熱泵技術屬可再生能源利用技術。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400米

6、深)作為冷熱源，進行能量轉 換的供暖空調系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之II為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表 淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了 47%勺 太陽能量，比人類每年利用能量的 500倍還多。 它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無 處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生 能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形 式。(2)地源熱泵屬經濟有效的節(jié)能技術。其地 源熱泵的COP直達至ij了 4以上，也就是說消耗 1KWh勺能量，用戶可得到4KWM上的熱量或冷 量。1(3)地源熱泵環(huán)境效益顯著。其裝置的運行 沒有任何污染，可以建

7、造在居民區(qū)內，沒有燃燒， 沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物 的場地，且不用遠距離輸送熱量。(4)地源熱泵一機多用，應用范圍廣。地源 熱泵系統(tǒng)可供暖、空調，還可供生活熱水，一機 多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩 套裝置或系統(tǒng)；可應用于賓館、商場、辦公樓、 學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、水力平衡分配器(5)地源熱泵空調系統(tǒng)維護費用低。地源熱 泵的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在 地下便是安裝在室內，從而避免了室外的惡劣氣 候，機組緊湊、節(jié)省空間；自動控制程度高，可 無人值守。由以上的特點可以看出，地源熱泵的技術以后 可得到廣泛的應用。然而，地源熱泵要實現制冷制熱，則

8、需要給它 提供動力來輸送制冷制熱管道中的循環(huán)水，傳統(tǒng) 機房可提供動力，但施工起來比較復雜，難度高, 周期長，采購的材料種類多，需庫存，漏水隱患 大等等問題，針對此，市場上開發(fā)了一款新型的動力輸配系統(tǒng)設備-節(jié)能空調機房。此機房 系統(tǒng)是將傳統(tǒng)機房中的所有部件進行集成模塊 化，實行一體化安裝的模式。不僅在施工難度上 大大降低了，而且無需庫存，漏水隱患大大降低 了，還能與主機進行無限聯(lián)動等等，由此可以看 出，節(jié)能空調機房實為一款為暖通行業(yè)提供一整 套的解決方案.總而言之，節(jié)能空調機房、水力平衡分配器、 多功能水箱與地源熱泵的結合為整個暖通系統(tǒng) 增加亮點，同時在安裝上便捷了很多，施工時間、 采購周期都大

9、大縮短了，人工成本也將低了等 等。由此可見節(jié)能空調機房與地源熱泵的配合是 未來暖通行業(yè)必然的發(fā)展趨勢。4形式地源熱泵水源/地源熱泵有開式和閉式兩種開式系統(tǒng)：是直接利用水源進行熱量傳遞的熱 泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)需配備防砂堵，防結垢、水質凈 化等裝置。閉式系統(tǒng)：是在深埋于地下的封閉塑料管內，注入防凍 液，通過換熱器與水或土壤交換能量的封閉系 統(tǒng)。閉式系統(tǒng)不受地下水位、水質等因素影響。1、垂直埋管-深層土壤垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。 垂直埋 管通常安裝在地下50-150米深處，一組或多組 管與熱泵機組相連，封閉的塑料管內的防凍液將 熱能傳送給熱泵，然后由熱泵轉化為建筑物所需 的暖氣和熱水。垂直埋管

10、是地源熱泵系統(tǒng)的主要 方式，得到各個國家的政府部門大力支持。2、水平埋管-大地表層 在地下2米深處水 平放置塑料管，塑料管內注滿防凍的液體，并與 熱泵相連。水平埋管占地面積大，土方開挖量大， 而且地下?lián)Q熱器受地表氣候變化的影響。3、地表水江、河、湖、海的水以及深井水統(tǒng)稱地表水。地源熱泵可以從地表水中提取熱量或冷量，達到 制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統(tǒng)造價 低，運行效率高，但受地理位置（如江河湖海） 和國家政策（如取深井水）的限制。1.5 可再生性地源熱泵是一種利用土壤所儲藏的太陽能資 源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系 統(tǒng)，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種 技術。地表土壤

11、和水體是一個巨大的太陽能集熱 器，收集了 47%勺太陽輻射能量，比人類每年利 用的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的 接受太陽輻射能量）；它又是一個巨大的動態(tài)能 量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量 接受和發(fā)散相對的平衡，地源熱泵技術的成功使 得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能 成為現實。1.6 高效節(jié)能地源熱泵機組利用土壤或水體溫度冬季為 12-22 C,溫度比環(huán)境空氣溫度IM UM BMH* t<R tMrJ5高，熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高； 土壤或水體溫度夏季為18-32 C,溫度比環(huán)境空 氣溫度低，制冷系統(tǒng)冷凝溫度降低，使得冷卻效 果好于風冷式和冷卻塔

12、式，機組效率大大提高， 可以節(jié)約30-40%的供熱制冷空調的運行費用， 1KW勺電能可以得到4KWZ上的熱量或5KWU上 冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱 只能將90%Z上的電能或7090%勺燃料內能為 熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加 熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省約 二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年 較為穩(wěn)定，一般為1025C,其制冷、制熱系 數可達3.54.4,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，通中央空調的5060%因此，近十幾年來， 地源熱泵空調系統(tǒng)在北美如美國、加拿大及中、 北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中 國的地源熱泵市場也日趨活躍， 可

13、以預計，該項 技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調 技術。表一：地源熱泵與其它加熱方式相比的能源消耗情況比較：比較后可得出地源熱泵是所有加熱方式中最 節(jié)約能源的。表二：地源熱泵空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中央空調系統(tǒng)各方面的特點相比：地源熱泵空調系統(tǒng)在各方面都比傳統(tǒng)空調系 統(tǒng)表現優(yōu)秀。表三：300平米別墅，供暖季供暖和生活熱水 運行費用與其它供暖方式相比：注：表三研究對象為北京的一套高檔別墅，面積為300平米。各種價格參數取自市政府相關部 門發(fā)布的2004年度北京能源利用報告，以 及2006年度北京能源利用報告，2個年度的 能源價格變動較大。本表按用戶每天運行 15小 時，一個采暖季計算。1.7 優(yōu)

14、點環(huán)境和經濟效益顯著地源熱泵機組運行時，不消耗水也不污染水， 不需要鍋爐，不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料 廢物的場地，環(huán)保效益顯著。地源熱泵機組的電 力消耗，與空氣源熱泵相比也可以減少 40奧上； 與電供暖相比可以減少70犯上，它的制熱系統(tǒng) 比燃氣鍋爐的效率平均提高近 50%比燃氣鍋爐 的效率高出了 75%一機多用，應用廣泛地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調制冷，還可提供生 活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋 爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)，特別是對于同時有 供熱和供冷要求的建筑物。地源熱泵有著明顯的 優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量的能量，而且用一套設備 可以同時滿足供熱、供冷、供生活用水的要求， 減少了設備的

15、初投資，地源熱泵可應用于賓館、 居住小區(qū)、公寓、廠房、商場、辦公樓、學校等 建筑，小型的地源熱泵更適合于別墅住宅的采 暖、空調。維護費用低并可無人值守地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而 減少維護，其系統(tǒng)不是埋在地下就是安裝在室 內，不暴露在風雨中，機組緊湊、節(jié)省空間，也 可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。自動控制程 度高，可無人值守、遠程管理，無需雇傭人員看 管。地源熱泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)污染小地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比， 相當于減少38町上，與電供暖相比，相當于減 少70蛆上，真正的實現了節(jié)能減排節(jié)能減排是 減少能源浪費和降低廢氣排放更多。維護簡單地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少

16、，因而 減少維護，系統(tǒng)安裝在室內，不暴露在風雨中， 也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。壽命長地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑 料管，壽命可達50年，要比普通空調高35年使 用壽命。維持生態(tài)環(huán)境平衡地源熱泵夏天把室內的熱量排到地下， 冬天把 地下的熱量取出來供室內使用，相對來說，向環(huán) 境排放更少的能量，維持生態(tài)環(huán)境的平衡。節(jié)省空間沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設備，省去了鍋爐 房，冷卻塔占用的寶貴面積，產生附加經濟效益， 并改善了環(huán)境外部形象。地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于自然能源。它不向 外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”。被認為是目前可使用的對環(huán)境最 友好和最有效的供熱、供冷系

17、統(tǒng)。該系統(tǒng)無論嚴 寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應用?？蓮V闊應用在辦公 樓、賓館、學校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場、別 墅、住宅等領域。1.8 工作原理在自然界中，水總是由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低 溫。人們可以用水泵把水從低處抽到高處，實現 水由低處向高處流動，熱泵同樣可以把熱量從低 溫傳遞到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，工作時 它本身消耗很少一部分電能，卻能從環(huán)境介質（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍于電能的裝 置，提升溫度進行利用，這也是熱泵節(jié)能的原因。地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱 源對建筑物進行冬暖夏涼的空調技術，地源熱泵 只是在大地和室內之間“轉移”能量。利用極小

18、的電力來維持室內所需要的溫度。在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中 4-5 千瓦的熱量送入室內。在夏天，過程相反，室內 的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室內得到涼 爽的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利 用。如此周而復始，將建筑空間和大自然聯(lián)成一 體。以最小的低價獲取了最舒適的生活環(huán)境。熱泵原理熱泵機組裝置主要有：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā) 器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態(tài)工質(制冷 劑或冷媒)不斷完成：蒸發(fā)(吸取環(huán)境中的熱量) 一壓縮一冷凝(放出熱量)一節(jié)流一再蒸發(fā)的熱 力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉移到水中。 壓縮機(Compressor):起著壓縮和輸送循環(huán)工質 從低溫低壓處到高溫高壓處的

19、作用，是熱泵(制 冷)系統(tǒng)的心臟；蒸發(fā)器(Evaporator):是輸出冷量的設備，它的作用是使經節(jié)流閥流入的制 冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達到 制冷的目的；冷凝器(Condenser):是輸出熱量 的設備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗 功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達 到制熱的目的；膨脹閥(Expansion Valve)或節(jié)流閥(Throttle):對循環(huán)工質起到節(jié)流降壓作 用，并調節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質流量。根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功(電能)起到補償作用，使循環(huán)工質不斷地從低溫環(huán)境中吸 熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。熱泵分類熱泵是需要冷凝

20、器的熱量，蒸發(fā)器則從環(huán)境中 吸熱，此時從環(huán)境取熱的對象稱為熱源；相反制 冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱， 此時向環(huán)境排熱的對象稱為冷源蒸發(fā)器冷凝器根據循環(huán)工質與環(huán)境換熱介質 的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。 熱泵根據與環(huán)境換熱介質的不同， 可分為：水一 水式，水一空氣式，空氣一水式，和空氣一空氣 式共四類。 利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為 空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且 其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由于地 區(qū)空氣溫度的差別，在我國典型應用范圍是長江 以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，普通空氣源熱泵不僅運行條件惡劣， 穩(wěn)定 性差，而且因為存在

21、結霜問題，效率低下、新出了一地源熱泵供暖原理圖款超低溫空氣源熱泵專門針對華北地區(qū)的， 超 低溫空氣源熱泵穩(wěn)定性好，效率高，具有高效除 霜功能。利用水或地熱作冷熱源的熱泵，稱之 為地源熱泵。水和地熱是一種優(yōu)良的熱源，其熱 容量大，傳熱性能好，一般地源熱泵的制冷供熱 效率或能力高于空氣源熱泵，但地源熱泵的應用 常受到水源或地熱的限制。地源熱泵系統(tǒng)按其循環(huán)形式可分為：閉式循環(huán) 系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和混合循環(huán)系統(tǒng)。對于閉式 循環(huán)系統(tǒng)，大部分地下?lián)Q熱器是封閉循環(huán)，所用 管道為高密度聚乙烯管。管道可以通過垂直井埋 入地下150200英尺深，或水平埋入地下 4-6 英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的

22、流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，而在夏天則是將建筑物內的熱能通過管道送入地下儲存；.對于開式循環(huán)系統(tǒng)，其管道中的水來自湖 泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環(huán) 相同的方式與建筑物交換熱量之后， 水流回到原 來的地方或者排放到其它的合適地點； 對于混合 循環(huán)系統(tǒng)，地下?lián)Q熱器一般按熱負荷來計算，夏 天所需的額外的冷負荷由常規(guī)的冷卻塔來提供。工作原理地源熱泵則是利用水與地能（地下水、土壤或 地表水）進行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱 源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內 采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量取 出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地 能為“冷源”。左圖為開式地源熱

23、泵系統(tǒng)。右圖為冬季地源熱 泵供暖原理圖?？諝庠?水源 土壤源1.9 系統(tǒng)類型1 .水平式地源熱泵通過水平埋置于地表面24M以下的閉合換 熱系統(tǒng)，它與土壤進行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合 于制冷供暖面積較小的建筑物，如別墅和小型單 體樓。該系統(tǒng)初投資和施工難度相對較小， 但占 地面積較大。2 .垂直式地源熱泵通過垂直鉆孔將閉合換熱系統(tǒng)埋置在 50M- 400M深的巖土體與土壤進行冷熱交換。此種系 統(tǒng)適合于制冷供暖面積較大的建筑物，周圍有一 定的空地，如別墅和寫字樓等。該系統(tǒng)初投資較 高，施工難度相對較大，但占地面積較小。3 .地表水式地源熱泵地源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱系 統(tǒng)與江河、湖泊、海水

24、等進行冷熱交換。此種系 統(tǒng)適合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建筑 物。它利用池水或湖水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小。但需要建筑 物周圍有較深、較大的河流或水域。4 .地下水式地源熱泵地源熱泵機組通過機組內閉式循環(huán)系統(tǒng)經過 換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交 換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層 中。此系統(tǒng)適合建筑面積大，周圍空地面積有限 的大型單體建筑和小型建筑群落。1.10 應用方式地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可 分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分 為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。家用系統(tǒng)用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送 系統(tǒng)進行冷熱

25、供應，多用于小型住宅，別墅等戶 式空調。集中系統(tǒng)熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水 路分配系統(tǒng)送到各房間。分散系統(tǒng)用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶 作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節(jié) 空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此 系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上， 便于計量，適用于獨立熱計量要求。混合系統(tǒng)將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷 熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只 是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。1.11 制冷原理在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷 媒做功，使其進行汽-液轉化的循環(huán)。通過冷媒/ 空氣熱交換器內冷媒的蒸發(fā)將室內空氣循環(huán)所 攜

26、帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再 通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝，由水路循 環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉 移至地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地 下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以13C 以下的冷風的形式為房供冷。1.12 制熱原理在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷 媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。 由 地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通 過冷媒/水熱交換器內冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán) 中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通 過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的冷凝，由空氣循 環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵將地下的 熱量不斷轉移至室內的過程中，

27、以 35c以上熱 風的形式向室內供暖。1.13 存在問題目前地源熱泵的技術存在的最大不足是“土壤熱不平衡”的問題舉外出胃搜，d加用。南方地區(qū)以供冷為主，常年向地下注入熱量; 而北方地區(qū)冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長年運行后將導致土壤溫度失衡， 影響周圍 生態(tài)。夏熱冬冷地區(qū)的夏季供冷量往往大于冬季供 熱量，多出的熱量可通過冷卻塔散去， 也可通過 余熱回收系統(tǒng)，用于供應生活熱水，從一定程度 上緩解土壤熱不平衡的問題。其次，地源熱泵應用會受到不同地區(qū)、不同用 戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投 資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同； 采 用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的 制

28、約；打井埋管受場地限制比較大，必須有足夠 的面積用于打井和埋管；設計及運行中對全年冷 熱平衡有較大要求，要做到夏季往地下排放的熱 量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。2土壤源熱泵系統(tǒng)設計的主要步驟2.1建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調系統(tǒng)冷熱負 荷計算方法相同，可參考有關空調系統(tǒng)設計手 冊，在此不再贅述。冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式2計算:4一必 * 1 COP23 C 2 )苴中Q1'夏季向土嘿徘的的妙量闔冬季從土壤唳收的熱量j WQ2冬季設計總擔負徜閾 mi設計H況下水源熱衷機組的能幅系數 core

29、-設計工況下水源熱泵機組的供熱系數人般地，水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數，計算時應從樣本中選用設計工況下的 COP1 COP2。若樣本中無所需的設計工 況，可以采用插值法計算。2.2 地下管道設計這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設計的核心內容， 主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、 管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水 泵選型等。（在下文將具體敘述）2.21 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(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調系統(tǒng) 中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足， 且需

30、要埋入地下的管道的數量較多，應該優(yōu)先考慮使 用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一 般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（P日 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P' C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(tǒng)2.22 確定管徑在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求 2 : （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。顯然，上述兩個要 求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小 管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管 徑有

31、20mm 25mm 32mm 40mm 50mm 管內流 速控制在1.22m/s以下，對更大管徑的管道，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4mH O/100m當量長度以下1。2.23 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(tǒng)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。文獻2介紹了 一種計算方法共分9個步驟，很繁瑣，并且部分數據不易獲得。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 70110W/m件深），或3555W/m（t長），水平 埋管為2040W/m

32、 （管長）左右3。設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m管長）， 具體計算公式如下： 一苴中Q豎井埋管總長j mL 夏季向土壤排放的熱量 O分用“35”層豆季每e管長散熱量,胃為2.24 確定豎井數目及間距國外，豎井深度多數采用50100m2,設 計者可以在此范圍內選擇一個豎井深度 H,代入 下式計算豎井數目：其中h豎井思數，個L豎井埋管總長H豎井深度m分母2'是考點到豎井向埋管管長的等于委井深度的鋁.然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏 大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔 和安裝成本大大增加。關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間 距一般為4.5m3,也有實例中提到DN

33、25的U 型管，其豎井水平間距為6項而DN20的U型管， 其豎井水平間距為3m4。若采用串聯(lián)連接方式， 可采用三角形布置（詳見2）來節(jié)約占地面積。2.25 計算管道壓力損失在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機 組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹?用當量長度法，將局部阻力件轉換成當量長度， 和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總 當量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總 阻力。2.26 水泵選型根據上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力 損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件 的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安 全裕量。根據系統(tǒng)總流

34、量和水泵揚程，選擇滿足 要求的水泵型號及臺數。2.27 校核管材承壓能力管路最大壓力應小于管材的承壓能力。若不 計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最 大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程 一半的總和1,即：P二%+怨"。孫耳中P 管蹄是大壓力，PaP 口一一建的物所荏的當地犬=壓.p一地下埋管中流體密度，卜4產M當地重力加速度M盛K一一地下理菅星偃點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度爰,mph水笳一程，F軋3其它3.1 與常規(guī)空調系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán) 系統(tǒng)最高點處（一般為1M設計膨脹水箱或膨 脹罐，放氣閥等附件。3.2 在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng) 中，系統(tǒng)的供冷量

35、遠大于供熱量，導致地下熱交 換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用 地面積限制，地下埋管可以按照設計供熱工況下 最大吸熱量來設計，同時增加輔助換熱裝置（如 冷卻塔+板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔供冷工況 下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方 法可以降低安裝費用，保證地源熱泵系統(tǒng)具有更 大的市場前景，尤其適用于改造工程1。4設計舉例4.1 設計參數上海電機學院臨港校區(qū)圖書館（空調面積23700平方米）4.1.1 室外設計參數夏季室外干球溫度tw = 34C , 濕球溫度ts = 2 8.2 C冬季室外干球溫度tw = -4 C ,相對濕度。=75%

36、4.1.2 室內設計參數夏季室內溫度tn=27C, 相對濕度。n=55% 冬季室內溫度tn=20C, 相對濕度。n = 45%4.2 計算空調負荷及選擇主要設備臨港校區(qū)參數上海電機學院臨港校區(qū)規(guī)劃容納10000名學生，按照"一次規(guī)劃、分期建設"的原則進行實施?？傆玫孛娣e616075平方米，一期工程用地3313 30平方米；規(guī)劃總建筑面積260000平方米，一 期工程150000平方米。一期工程建筑單體包括： 圖書館23700平方米，公共教學樓17000平方米， 文理大樓5000平方米，學生事務中心5500平方 米，工業(yè)中心14500平方米，語言教學中心300 0平方米，物理

37、實驗教學中心 3000平方米，學5000平方米, 3000平方米。 =23700平方生公寓65000平方米，研究生公寓 第一食堂5000平方米，第三食堂以圖書館為例：空調安裝面積參考常規(guī)空調建筑物冷熱負荷的計算方法， 計算得到各房間冷熱負荷并選擇風機盤管型號； 考慮房間共用系數（取0.8）,得到建筑物夏季 設計總冷負荷為2400.54kW,冬季設計總熱符負 荷為1600.38kW,選擇 WPWD072水源熱泵機組 200臺，本設計舉例工況下的COP七3.3, CO2 =3.7。4.3計算地下負荷根據公式（1）、（2）計算得24.54 乂 13198玷r16 3gx|l-_I= 11.95， 1Q-y 0色乂 I-23 COP.所以 Q1' =3198KW Q2 =1195K