土壤源热泵空调系统优化技术探讨

土壤源热泵空调系统优化技术探讨

7/15/20231一、地源热泵系统简介二、地埋管地源热泵系统设计与优化三、地埋管地源热泵土壤热响应测试四、地埋管换热器设计五、地下热平衡设计六、地埋管地源热泵空调系统优化控制简介7/15/20232一、地源热泵系统简介随着国际上环保和充分利用可再生能量资源的可持续发展大趋势,人类越来越重视开发新的能源形式和充分利用可再生能量资源,特别是更加注重蓄能技术和再利用技术的应用前景。地源热泵空调系统由于它有节能、环保的特点,在近十几年,尤其是近5年,在北美、北欧一些发达国家得到了较快发展。7/15/20233地源热泵系统分类地源热泵是一种利用浅层地热，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。（GSHP）地源热泵地下水源热泵系统（GWHP）地表水源热泵（SWHP）地埋管地源热泵（GCWP）7/15/20234埋管式土壤源热泵系统

2）垂直埋管地源热泵系统：换热器井管路直接接入机房、换热器井管路汇集到集水器。7/15/20235埋管式土壤源热泵系统

2）垂直埋管－桩基换热器：7/15/20236埋管式土壤源热泵系统

2）垂直埋管－地热智能桥：7/15/20237埋管式土壤源热泵系统

3）螺旋埋管地源热泵系统：长轴水平布置的螺旋埋管、长轴竖直布置的螺旋埋管、沟渠集水器式螺旋埋管。7/15/20238二、地源热泵系统设计与优化地源热泵系统设计设计的原始资料与依据建筑物冷热负荷计算设计冬夏季地下循环水换热量计算现场勘察探与热响应测试地下换热器设计空调主机及末端系统设计7/15/20239热泵机组的选择

热泵容量的选择热泵性能的确定:土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。

7/15/2023102.3地源热泵循环水的换热量计算

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：其中，Q11—夏季向浅层地表排放的热量，kW，Q1—夏季设计总冷负荷，kWQ12—冬季从浅层地表吸收的热量，kW，Q2—冬季设计总热负荷，kWCOP1—设计工况下水-水热泵机组的制冷系数COP2—设计工况下水-水热泵机组的供热系数7/15/2023112.4选择室内末端系统

风机盘管系统，地板采暖方式，全空气系统等。通常采用风机盘管系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面：（1）选择安装风管的最佳位置；（2）根据室内的得热量/热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置；（3）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。7/15/2023122.5优化设计方法模拟地源热泵耦合法设计软件主界面7/15/2023132.5优化设计方法模拟冷却塔选型设计界面7/15/202314三、地源热泵土壤热响应测试设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要;也可能规模过大，从而加大初期投资。另外，不同的封井材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。

7/15/202315埋管式地源热泵热响应测试要求实验主要在三个方面展开：1）首先是热响应测试，以恒定的加热功率求出地埋管换热器进出口温度随时间的变化情况，通过曲线拟合求出土壤的导热系数；2）模拟夏季空调的制冷试验，测量井埋管换热器的放热能力；3）模拟冬季的制热试验，测量井埋管换热器取热能力

。7/15/202316热响应测试软件热响应测试软件Demo7/15/202317热响应测试数据分析热响应测试软件Demo7/15/202318热响应测试模拟软件热物性模拟软件Demo7/15/202319热响应测试模拟软件热响应模拟软件Demo7/15/202320四、地埋管土壤换热器设计

水平埋管垂直埋管水平螺旋型埋管在现场勘测的基础上确定换热器埋管采用垂直布置还是水平布置方式。尽管水平布置时通常为浅层埋管,初投资一般会少些,但换热性能比垂直布置时差很多,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。7/15/202321土壤换热器埋管的布置型式

1水平埋管:水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式。

7/15/202322土壤换热器埋管的布置型式

2垂直埋管:一般有单U形管，双U形管，W型管、套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。目前使用最多的是单U形管（Single-U-pipe），双U形管（Double-U-pipe），简单套管式管（SimpleCoaxialpipe）

7/15/202323土壤换热器埋管的布置型式

3土壤换热器的埋管深度：①钻井深60m以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于60m，其钻机成本会提高；②井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0MPa）塑料管，如深度大于80m，需采用高承压塑料管，其成本大大增加；③据比较，井深50m的造价比100m的要低30%～50%。上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。

7/15/202324连接方式地下换热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。7/15/202325管材选择及长度计算管材选择地埋管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（PE）或聚丁烯管（PB）。（PE材料按照国际上统一的标准划分为五个等级：PE32级、PE40级、PE63级、PE80级和PE100级。用于地源热泵管道PE管的生产为高密度聚乙烯HDPE，其等级是PE80、PE100两种）。地埋管长度计算地源热泵换热器的换热量应该满足空调主机实际所需最大吸热量和施热量。根据现场实测的岩土体及回填材料的热物性，以及热泵机参数、建筑物逐月负荷、设定循环液体进出温度、给定换热器结构尺寸，采用专用软件进行计算。也可以用半经验公式计算。7/15/202326地埋换热器系统水力计算管道压力损失计算在同程系统中,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。循环泵的选择单机扬程一般不超32m，变流量水泵，功率不超过30kw。塑料管的摩擦阻力远比铁管小。7/15/202327确定埋管管长与埋管间距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（通过热响应实验测得）。7/15/202328近管壁土壤热物性与换热能力关系回填土的热物性对埋管的换热能力影响非常大，因为埋管近壁处土壤的热阻是主要热阻，显然随回填土材料热导率的增加而增大，埋管的换热能力增加，为夏季埋管平均最高温度随回填土导热系数关系。但回填土的导热系数大于某一临界值时，强化换热不明显，还会导致换热管短路。7/15/202329五、地下热平衡设计《地源热泵系统工程技术规范GB50366-2009》规定：地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为一年。计算周期内，地源热泵系统总释（排）热量宜与其总吸（取）热量相平衡。各种设计方案的机理依据岩土体的热平衡状况：即不同地区气候条件、不同功能的空调房间和不同运行方式所形成的累积排热量与累积取热量的状况。7/15/202330全年累积排、取热量比ral

全年累积排、取热量比ral（ratioofaccumulatedloads）是全年向地埋管换热器的总排热量与其总取热量之比。

当ral=1

地下岩土年平均温度保持不变Q排=Q取当ral>1Q排>Q取地下岩土年平均温度逐年升高当ral<1Q排<Q取地下岩土年平均温度逐年降低目标：岩土温度不变尽量减少对机组和环境的影响7/15/202331历年累积排、取热总量曲线

ral≈1的工程，冬季开始供热使用，然后在夏季制冷，全年冬夏季取排热总量相等，负荷总量变化曲线为曲线①。反之，夏季开始制冷使用，则为曲线④。

历年负荷总量累积曲线

1、4－平衡型2－累积排热型3－累积取热型

历年累积排取热量Q/GJ7/15/202332热平衡设计的九种设计方案据岩土体的累积排热量和累积取热量的平衡状况和我国不同地域、不同气候特点，提出以下9种设计方案：方案1 地埋管+热泵机组

方案2 地埋管+热泵机组+冷却塔

方案3 地埋管+热回收热泵机组

方案4 地埋管+热回收热泵机组+冷却塔

方案5 地埋管+双冷凝器热泵机组+闭式冷却塔

方案6 地埋管+热泵机组+扩大供热面积

方案7 地埋管+热泵机组+辅助热源

方案8 地埋管+热泵机组+太阳能

方案