地源热泵毕业设计

1.绪论随着国民经济的增长城市建设的发展和人民生活水平的提高及房地产业的升温,我国空调业己得到空前的发展。空调己成为季节性能源消耗的大户,并成为建筑节能的关注问题。大力发展新能源与可再生能源,已成为我国21世纪发展国民经济的刻不容缓的战略目标。热泵技术是应用低位可再生能源的重要技术措施之一。热泵系统是利用低温热源进行制热,制冷的新型能源利用方式。与使用常规能源供热方式相比,具有许多不可替代的特点。因地制宜的发展地源热泵系统,有利于优化能源结构,促进多种资源的有效利用,提高能源利用率。目前常规使用的热泵系统多为空气源,它受环境温度影响很大。夏季不利于冷凝器的散热,冬季蒸发器得热难,犹其是冬季融霜难。地源热泵几乎不受环境气候影响,可以产生良好的节能效益,且不用除霜。主要内容包括:地源热泵的形式与基本原理,地源热泵机组,新乡本地工程应用实例,对传统地源热泵的改进设想等。 2.地源热泵简介2.1地源热泵的发展地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内夏季再把地下的冷量转移到建筑物内一个年度形成一个冷热循环。地源热泵的起源地源一词是从英文“ground source”翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。地源热泵的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路。随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。上世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。2.2地源热泵系统与传统空气源热泵的对比市场上现有的户式中央空调的形式可归纳为以下几类：1、制冷剂直接蒸发式一拖多系统。亦即使用一个室外机多个室内机组，分布在不同的房间内供暖空调。该系统安装方便，各居室温度可自由调节，管线占用空间小，但制冷剂管路长且复杂，氟利昂用量大，泄漏的危险也加大了；该系统受气候条件的制约，在-5以下使用时必须安装辅助加热器；该系统难以解决新风供应与冬季加湿问题；该系统价格相对较高。2、室外机为空气-水热泵机，制备冷（热）水供应分布在不同房间内的多台风机盘管。该系统结构紧凑、安装方便，与全空气系统比较占用建筑空间较少，也易与建筑装修融为一体；风机盘管容易控制，各房间可独立控制、方便使用，较易实现节能运行，便于节电。但是该系统无新风供应，风机盘管集水盘内容易滋生细菌，水管入户，存在漏水危险，对施工要求严格；该系统也受气候条件制约，低于-5时无法正常工作，需安装辅助加热装置。3、室外机为空气-空气热泵，制备冷（热）风，通过风管送到每个房间。其优点是采用全空气系统，没有漏水危险；可引入新风，可对室内空气进行过滤、加湿、除臭等处理，空气品质好，是最为接近中央空调的系统形式。其缺点是风管管径较大，占用空间较多；各个房间温度不好单独进行大幅度调节；户外温度小于-5时，室外机能效低，产热量低，技术安全性差。其中，2、3种方式都使用了热泵技术，具有节能效果，但是我们不提倡使用空气源热泵，因为还存在如下一系列问题：1、存在热岛效应，使得外界局部空间环境条件恶化2、当空气温度低于零度时，机组效率下降，并且当温度低于-5时，机组效率极低，甚至无法开机，需要附加辅助热源3、冬季室外机组需要除霜，浪费能源有研究表明，地表5m一下的土壤年平均温度恒定，在夏热冬冷地区，地温平均温度为1520全年温度波动较小，且具有不同程度的延迟和衰减。因此土壤比空气和水更适合作为热泵装置的冷、热源。2.3地源热泵定义在1952年当热泵系统第一次被正式提出时，被称为“热量倍增器”。这也从另一方面说明了热泵节能高效的特点。“热泵”这一术语是借鉴水泵一词而来。热泵装置消耗一定的机械能，将低温位的热能泵送到高温位。从热力学或工作原理上说，本质上热泵就是制冷机。在我国暖通空调术语标准中，对“热泵”的解释是：能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机。热泵是以制冷剂在冷凝器中释放的热量实现供热的制冷装置。地热热泵是以岩土体、 地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组 、地热能交换系统、 建筑物内系统组成的供热空调系统.地源热泵：也叫地下耦合热泵系统，还被称为：地热热泵、地能系统、地源系统，1997正式定名为地源热泵(GSHP)2.4热泵系统分类组成作为利用周围环境热源的热泵来说，热泵按换热器所用热源的不同可分：热泵水源热泵地源热泵地下水热源热泵地表水源热泵地埋管热泵地埋管地源热泵系统包括竖直埋管、水平埋管和螺旋埋管三种，如下图所示：图2-1常见地埋管的形式1水平埋管式分为单回路水平埋管和多回路埋管。2竖直埋管地源热泵系统，负荷小时直接接入机房，负荷较大时接入集水器。特殊形式：桩基换热器。3螺旋埋管式，常见的有以下几种，如图：图2-2 螺旋管式换热器地源热泵在设计中，根据换热过程的不同，一种是将几组制冷剂盘管直接埋在地下的直接系统，另一种是借助于换热介质，如水、防冻水溶液等，把热量从地下转移到热泵机组换热器，这种称为地源闭环系统。热泵空调系统根据循环介质与环境换热介质的不同，主要分为：空气和水换热两种形式。分为：水水式、水空气式、空气水式、空气空气式四类。热泵系统主要由三部分组成：室外地源热泵系统 水源热泵机组和室内空调采暖末端系统2.5地源热泵空调的优点：1.高效节能，稳定可靠。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%60%，因此要节能和节省运行费用4050左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。冬季运行时，COP约为4，即投入1KW电能，可得到4KW左右的热能，夏季运行时，COP可达到投入1KW电能，可得到4KW以上的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且理管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗。表2-1不同热量提供方式的能量利用率热量提供方式燃油炉燃气炉电取暖热泵性能系数COP0.70-0.900.80-0.951.02.82.无环境污染。地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与电供暖相比，相当于减少70以上，真正的实现了节能减排。3.一机多用。地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。4.维护费用低。地源热泵系统运动部件要比常规系统少，不需要占用专门的机房，并且无需安装冷却塔及泵房，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。5.使用寿命长。地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。其未端既可以使用风机盘管，也可以与地板采暖联合使用，不仅可以单独控制和随意调节各个房间温度，并且地板采暖舒适性更好。6.节省空间。没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。7.可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证了大地热量的平衡。总之，地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。2.6影响制约地源热泵发展的因素： 1、地埋式换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究还不够深入,无法为设计提供最简介的方法；2、土壤源热泵自身存在的缺点：地埋换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小，使地埋换热器的面积较大等；3、关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；由于它涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。因此在热泵技术开发应用中，应通过热泵的批量生产和技术改进来降低成本，使热泵技术的优越性更加突出；4、我国有关地源热泵的现成技术资料不多，缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家少，需加强相关技术人才的培养；5、需向世界上热泵技术比较发达的国家学习，但应注意：由于我国气候条件不同，因此不能照搬外国的技术成果，而应注意吸收国外正反经验，合理布局，稳步发展，在条件相对成熟的地区多进行试验和总结；6、地下情况远比地上的复杂，需要进行详细的勘察。提供正确可靠供工程设计参考的技术数据；8、开发成熟的可供工程设计参考的设计计算方法；现有的设计只有专业公司会做，一般设计人员基本不会，严重制约了该技术的推广；9、现有的产品规格、品种还不够齐全，影响使用；10、地下换热器的安装、施工技术还没有普及，一般的施工队伍无法保证质量。2.7地源热泵的工作原理:地源热泵系统主要由三部分组成：室外地源换热系统、水源热泵机组、和室内采暖空调末端，其循环原理如图所示：图2-3热泵能量循环图水或空气循环建筑物采暖、空调，供暖水循环水源热泵室外地源热泵系统制冷模式：在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13以下的冷风的形式为房间供冷。制热模式：在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35以上热风的形式向室内供暖。 图2-4地埋管式地源热泵工作原理图地源热泵系统以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。热泵的工作原理虽与制冷机相同，当热泵的发展和应用远没有制冷机顺利，这是因为，热工制冷几乎只能依靠制冷机，而制热的途径有许多，并且这些供热方式比热泵要更简单、更方便、价格更低。因此热泵的发展长期处于空白状态。但随着传统能源价格上涨和能源自身的消耗，及环境保护意识的提高，热泵的许多优点得到越来越多的重视。为热泵市场的发展提供了广阔的空间。3.地埋管地源热泵的设计计算3.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。2.冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：夏季：冬季：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 EER设计工况下水源热泵机组的制冷系数 COP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EER、COP。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。3.2地下热交换器设计这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。3.2.1选择热交换器形式水平（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，垂直埋管大致有3种形式： U型管、套管型和单管型。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，埋管越深，换热性能越好，资料表明：最深的U型管埋深已达180m。水平埋管的优点是室外施工费用相对较低；缺点是室外占地面积较大，一 般适用于小型的而且具有足够占地面积的地方。竖直埋管的优点是运行及维护费用低，占地面积较小，冬季无需辅助热源，不产生任何污染，节能效果明显。缺点是初投资费用稍高。选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本. 如果场地足够大且无坚硬岩石, 则水平式较经济. 当场地面积有限时,适合采用竖直埋管方式, 很多情况下这是惟一选择。水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1 2m 的地沟内. 水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响, 效率较低, 而且占地的面积比较大, 在国内建筑物比较密集的情况下, 它的使用受到一定的限制。图3-1水平埋管式换热器图3-2竖直埋管式换热器 竖直埋管就是在地层中垂直钻孔, 孔的深度一般在50 180 米. 在竖直埋管方式中, 由于地下深层土壤温度比较恒定, 占地面积小, 因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用。3.2.2串联或并联 地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。3.2.3传热介质传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其它介质：1.安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应；2.较低的冰点；3.良好的传热特性，较低的摩擦阻力；4.易于购买、运输和储藏。传热介质安全性包括毒性、易燃性及腐蚀性。良好的传热特性和较低的摩擦阻力损失是指传热介质具有较大的导热系数和较低粘度。可采用的其它传热介质包括氯化钠溶液、氯化钙溶液、乙二醇溶液、丙醇溶液、丙二醇溶液、甲醇溶液、乙醇溶液、醋酸钾溶液及碳酸钾溶液。在传热介质（水）有可能冻结的场合，传热介质应添加防冻液。应在充注阀处注明防冻液的类型、浓度及有效期。为了防止出现结冰的现象，添加防冻液后的传热介质的冰点宜比设计最低运行温度低35。选择防冻剂时，应同时考虑防冻剂对管道与管件的腐蚀性，防冻剂的安全性、经济性及其对换热的影响。3.2.4选择管材 一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统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，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；由于处理热膨胀和土壤移位的压力能力弱，而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。地源热泵系统地埋管管材应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB）。管材与管件应为相同材料。 地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0Mpa。 地埋管及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和生产厂的合格证。3.2.5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4mHO/100m当量长度以下。3.2.6确定竖井埋管管长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。1.计算机模拟法计算机模拟法是根据建立的地热换热器的传热模型编制出相应的计算软件, 通过输入土壤的热物性参数和建筑物的负荷来确定地热换热器的长度.主要步骤：图3-3模拟计算图2.常规理论计算当确定了埋管布置方式和管材后，可根据当地土壤特性和设计条件，采用以下工程设计计算公式来确定地埋管换热器的长度。由于这种计算方法较复杂，要用到地埋管换热系数及当地的土壤热物性，不容易计算，所以这里只给出换热器管长的公式不自在详细介绍。制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：式中Lc制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度 Qc水源热泵机组的额定冷负荷（kW） EER水源热泵机组的制冷性能系数tmax制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通37；T埋管区域岩土体的初始温度（）； Fc制冷运行份额； Tc1一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，为最月份水源热泵机组的运行小时数；Tc2一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，为最热月份的小时数。 供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算： 式中 供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度 水源热泵机组的额定热负荷（kW）； COP水源热泵机组的供热性能系数；供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度 水源热泵机组的额定热负荷（kW）； COP水源热泵机组的供热性能系数；3.在实际工程中，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：垂直埋管为60100W/m(井深)，或3555W/m(管长)水平埋管为2040W/m（管长）左右设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），具体计算公式如下： 其中L竖井埋管总长，mQ1向土壤最大换热量的较大者分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m3.2.7确定竖井数目及间距国外，竖井深度多数采用50100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:一般垂直U型管为6080W/m（井深），垂直双U型管为80100W/m左右，设计师取换热能力的下限值。双U型管竖井数目可用下式计算： 其中 N竖井总数，个 L竖井埋管总长，m H竖井深度，m 分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。 然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。 关于竖井间距,有资料指出：U型管竖井的水平间距宜为3-6米，一般为4-4.5m。也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m。若采用串联连接方式，可采用三角形布置来节约占地面积。 3.2.8计算管道压力损失 在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量度，再乘以不同流量、不同管径管段每 100m管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。3.3校核埋管换热器管材承压能力 校核埋管换热器最下端管道的重力作用，静压是否在其承压范围内。对地埋管换热器，在不考虑地下水或竖井灌浆引起的静压抵消情况下，管路承压的最大压力等于大气压力、最下端管道的重力作用静压和水泵扬程一半的总和，即 式中 管路承受的最大压力建筑物所在的当地大气压埋管中流体密度当地重力加速度埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差水泵扬程管路承受的最大压力应小于管材的最大工作压力。如果超过管子的耐压范围，则需换用耐压极限更高的管材或用板式换热器将埋管换热器与建筑物内的水环路分开。3.4地源热泵机组运行工况 地埋管地源热泵机组正常工作的冷热源工况为： 1040（制冷运行） -525（制热运行） 以山东为例，夏季制冷运行源水侧进出水温度可取28/32,冬季进出水温度为74。但在工程应用中，有时甚至可以夏季进出水取4044，冬季取取963.5地埋管地源热泵系。统设计中的关键问题3.5.1设计原则当有合适的浅层地热能资源且经过技术经济比较可以利用时，应优先采用地埋管地源热泵系统。地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期不得小于1年，在此计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。在现场工程勘察结果的基础上，综合现场可用地表面积、岩土类型和热物性参数以及钻孔费用等因素，确定地埋管换热器采用水平埋管还是竖直埋管方式。最大释热量和最大吸热量相差不大的工程，应分别按供冷与供热工况进行地埋管换热器的长度计算，并取其较大者确定地埋管换热器的长度；当两者相差较大时，宜进行技术经济比较，通过增加辅助热源或增加冷却塔辅助散热的措施来解决。最大释热量和最大吸热量相差较大时，还可以通过水源热泵机组间歇运行来调节；也可以采用热回收机组，降低供冷季节的释热量，增大供暖季节的吸热量。地埋管换热器宜以机房为中心或靠近机房设置，其埋管敷设位置应远离水井，水渠及室外排水设置。地埋管水源热泵机组性能应符合现行国家标准水源热泵机组（GB/T19409-2003）的相关规定，且应满足地埋管地源热泵系统运行参数的要求。3.5.2设计要点地埋管换热系统工程勘察应包括以下内容：岩土层的结构及分布、岩土体的热物性参数、岩土体的温度分布；地下水温度、静水位、径流方向、流速、水质及分布；冻土层的厚度。地埋管地源热泵系统通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换，在地下10m以下的土壤温度基本上不随外界环境和季节变化而变化，且约高于当年年平均气温2。下表列出了我国主要城市的年平均气温。表3-1我国主要城市年平均气温（）城市名称哈尔滨长春拉萨沈阳银川兰州太原年平均温度3.64.97.57.88.59.19.5城市名称北京天津西安郑州济南洛阳昆明年平均温度11.412.213.314.214.214.614.7城市名称南京贵阳上海合肥成都杭州武汉年平均温度15.315.315.715.716.216.216.3城市名称南昌重庆长沙新乡年平均温度17.518.317.214.2地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料的热物性参数、测试井的吸放热特性参数，采用专用软件进行。环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。垂直地埋管换热器的设计可按地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）方法进行计算。水平地埋管换热器可不设坡度敷设。最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。单层管最佳埋设深度为1.22.0m，双层管为1.62.4m。竖直埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径宜大于0.11m，为满足换热需要，钻孔间距应通过计算确定，一般宜为46m。水平环路集管距地面不宜小于1.5m，且应在冻土层以下0.6m。为确保地埋管换热器及时排气和强化换热，地埋管换热器内流体应保持紊流状态，单U形管不宜小于0.6m/s，双U形管不宜小于0.4m/s，水平环路集管应敷设不小于0.002的坡度。竖直地埋管环路两端应分别与水平供、回水环路集管相连接，且宜同程布置，为平衡各环路的水流量和降低其压力损失,每对水平供、回水环路集管连接的竖直地埋管环路数宜相等。水平供、回水环路集管的间距不宜小于0.6m。竖直地埋管环路也可采取分、集水器联接的方式，一定数量的地埋管环路供、回水管分别接入相应的分、集水器，分、集水器宜有平衡和调节各地埋管环路流量的措施。地埋管换热器的传热介质一般为水，在有可能冻结的地区，应在水中添加防冻剂。地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力计算。地埋管换热系统宜采用变流量设计，以充分降低系统运行能耗。在水源热泵机组外进行冷、热转换的地埋管地源热泵系统应在水系统管路上设置冬、夏季节的功能转换阀门，转换阀门应性能可靠，严密不漏，并作出明显标识。地埋管地源热泵系统在供冷、供热的同时，宜利用地源热泵系统的热回收功能提供（或预热）生活热水，不足部分由其他方式补充。生活热水的制备可以采用制冷剂环路加热或水路加热的方式。建筑物内系统循环水泵的流量，应按地源热泵机组蒸发器和冷凝器额定流量的较大值确定，水泵扬程为管路、管件、末端设备、地源热泵机组蒸发器或冷凝器（选取较大值）的阻力之和。若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式；相反，若建筑物周围可利用地表面积有限，应采用竖直U型埋管方式。 尽管可以采用串联、并联方式连接埋管，但并联方式采用小管径，初投资及运行费用均较低，所以在实际工程中常用，且为了保持各并联环路之间阻力平衡，最好设计成同程式。3.5.3施工中的注意事项1.地埋管换热系统设计前，应根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。2.地埋管换热系统施工时，严禁损坏既有地下管线及构筑物。3. 地埋管换热器安装完成后，应在埋管区域做出标志或标明管线的定位带，并应采用2个现场的永久目标进行定位。 4.地埋管地源的应用实例4.1工程概述本工程是新乡市河南机电高等专科学校制冷实验室中央空调设计，其中该室建筑面积100.8，实验室工作时间一般从早上8：00到下午6:00（中午12:00到下午2：00为休息时间）。该实验室采用两种制冷方式，集中送风中央空调系统和风机盘管系统。经计算后得出冬季实验室内最大热负荷为: 6.4KW，夏季最大冷负荷为: 4.3KW。4.2热泵机组选择机组的制冷量不小于峰值冷负荷95，以满足实际要求。可以选择大一号的机组，但机组制冷量不超过设计冷负荷的125。在参考文献空气调节及应用水源地源水环热泵选用上海美意的一台水源热泵机组，其参数如下表：表4-1型号为MSRL024WHC 的美意水源热泵机组主要技术参数额定制冷量/ KW额定制热量/ KW电源/ 额定制冷量输入功率/ KW 额定制热量输入功率/ KW5.47.6单相/220V1.351.77制冷运行电流/A 制热运行电流/AEERCOP 压缩机形式7.59.8 44.3转子制冷剂 机组尺寸（长*宽*高）重量/kg噪声/dB源水侧水流量/(/h)R22710*625*480 65 501019源水侧水压降/kPa 负载侧水流量/(/h)负载侧水压降/ kPa源水连接管/in负载水连接管/ in 30.20.95 22.33/4 3/4冷凝水连接管（外径）/in负载侧水泵扬程/m 水泵功率/KW 7/8190.37 4.3机组设计工况制冷量源水侧进出水温30/35，负载侧进出水温12/7。制热量源水进出水温度15/10，负载侧进出水温度40/35。4.4确定设计工况下循环水最大换热量 根据前面3.1中给出的公式和初步选定的热泵机组参数表中查的夏季制冷系数EER为4，冬季制冷系数COP为4.3。可算出夏季向土壤中放热量：=5.4 kw冬季向土壤中吸热量： =4.9 kw4.5地埋管换热器埋管形式选择采用竖直单U型埋管，各埋管之间串联，选用同程式。如下图所示：图4-1埋管换热器连接形式4.6地埋管换热器的长度和钻井数目4.6.1工程概算方法根据3.2.6中给出的式子，取单位管长的换热能力为35W/m，算出所需换热管长为：=154.3m由于随着钻井深度的增加，工程施工费用会极大的提高，钻井深度初步取45m。由3.2.7中公式可计算的竖井数目： (个)竖井数目可取2竖井最小钻孔孔径90mm(竖井深45-90m)4.6.2参数公式精确计算上面的概算虽然很简单，但并不准确，下面就以工程计算公式来对其准确性进行验证校核。（1）计算管道热阻：对于多管，用下面的当量管道热阻代替：式中：为管道外径，在此所取管材公称外径为20mm， 为管道内径，取值为（20-1.9）mm。 为管道材料的热阻率，对聚丁烯管，热阻率为0.22 W/(m*k)， 为管道布置时的当量直径，由上式可计算得管道的热阻为： 0.05mK/W（2）计算土壤热阻：由于新乡属于黄河冲积平原，土壤类型为重土潮湿，根据参5水源地源水环热泵空气调节及应用118页中表5-9中查得考文献0.61 mK/W。（3）建筑物夏季最大冷负荷为4.3kW，冬季建筑物设计热负荷为6.4 kW，制冷运行系数为0.9，供热运行系数为0.9，热泵机组制冷运行时冷凝器设计最大进液温度为39，在 下热泵机组的制冷性能系数EER为4，热泵机组制热运行蒸发器设计最小进液温度为0，在 下热泵机组的制热性能系数COP为4.3，对于竖直埋管全年的最高最低温度相同等于当地土壤年平均温度=16.2，根据3.2.6中式子可计算得：制冷工况下换热器所需管长： =141.2m 181.6m 经过精确计算发现原有的概算有“富余”；并且供热运行与制冷运行相差较大，根据设计要求，地埋管长度取较小值即夏季工况管长取整为142m；相差的负荷采取电加热辅助供热的方式来解决，避免吸热和放热不平衡。 由3.2.7中公式可计算的竖井数目：(个)竖井数目取2。每个井深为45m，则共需管长为180m。4.7选取管材由于PB管材易于弯曲、热熔连接，且使用寿命长；采用公称外径：20mm 公称压力2.5M，壁厚1.9mm的聚丁烯管材。表4-2聚丁烯PB塑料管性能参数公称压力/ MP热膨胀系数热导率W/(M*K) 弹性模量/MPA 管壁厚度1.6-2.5（冷）1.0 (热)13* 0.22 最薄单价寿命/年连接方式长期使用温度贵16110加紧 ，热熔，插接电熔合连接904.8确定工作流体乙二醇水溶液性能良好，使用时间长，此次工程选用质量分数是20%的水溶液，其物性参数如下表所示：20乙二醇水溶液的热物性参数密度/ kg/m3运动粘度/ m2/s热导率/ W/(m*k)热扩散率/ W/(m*k)20乙二醇水溶液10253.73*0.494.9经济性分析以市场上公称外径：20mm 公称压力2.5M，壁厚1.9mm的聚丁烯管材为例，每米价格在9元左右。以网上一300多平米的建筑地源热泵系统造价在10万左右，此工程估计在5万元左右。传统的SHL0050N型风冷式冷热水机组，功率6.5KW，而热泵机组的功率只有1.77KW，大概是其四分之一；因此本工程土壤源热泵热泵空调系统与常规空调冷热水机组相比较，总投资增加10%-20%，但是是全年空调运行费用要节约40%左右。总结：土壤源热泵热泵空调系统设计难点主要集中在地下换热器的设计上。地下换热器的主要费用是钻孔工程的费用，因此正确设计室外地下换热器对于保证空调系统的效果和经济性十分重要。 土壤源热泵热泵空调系统设计要注意土壤源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡措施的采用，以防空调系统设计失败。 土壤源热泵热泵空调系统是应大力推广应用的新型节能环保空调系统。5.关于地源热泵的设想5.1设想提出的原因背景在实际的工程应用中，建筑物冷热负荷相同的情况非常少，地热换热器在运行过程中，经过一段年限后，换热地埋管周围的土壤温度会发生缓慢的变化。当达到一定的量后，相邻地埋管之间的换热会受到一定的影响，引起换热阻力增加和换热量的减少，这种现象被称为温度热阻。如果一年中冬天地埋管换热器从地下提取的热量比夏季灌入的热量多，那么多余的冷量就会积累下来，引起换热器周围温度的变化。热泵系统长期运行后，就会导致系统性能减弱，并伴有系