地源熱泵系統(tǒng)冷熱源供給部分的設(shè)計(jì)與選用
摘 要：地源熱泵是一種較新型的熱泵技術(shù)，具有環(huán)保、節(jié)能、清潔、安全、高效等特點(diǎn)。此系統(tǒng)初投資較大，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較短，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，社會(huì)的購(gòu)買力增強(qiáng)，尤其在節(jié)能要求日益提高的今天，高初投資對(duì)此系統(tǒng)的影響越來越小，此項(xiàng)技術(shù)正在國(guó)內(nèi)大力推廣。
關(guān)鍵詞：地源熱泵；冷熱源供給部分；設(shè)計(jì)與選用
中圖分類號(hào)：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程，正是在這個(gè)背景下應(yīng)用了地源熱泵這個(gè)新技術(shù)，并且系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好，此項(xiàng)目運(yùn)用地源熱泵系統(tǒng)是一個(gè)成功的工程案例。本文詳細(xì)討論了地源熱泵冷熱源供給部分的設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選型方法，通過參考文獻(xiàn)中查得的數(shù)據(jù)及公式逐步推導(dǎo)選型結(jié)論，分析了在選型中的各種問題與方案的比較。給相關(guān)工作人員提供一個(gè)地源熱泵技術(shù)在實(shí)際工程上的應(yīng)用實(shí)例，為今后的相關(guān)工作提供了清晰的設(shè)計(jì)思路與選型指導(dǎo)。
通過此篇論文，希望能提高大家對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并努力學(xué)習(xí)運(yùn)用此類利用再生能源、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的新型技術(shù)，在科技高速發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，共同建造一個(gè)舒適和諧的美好家園。
一、地源熱泵系統(tǒng)概述
地源熱泵系統(tǒng)是利用地球表面作為冷熱源，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為用于供熱的高品位熱能以及用作制冷時(shí)的冷卻水的空調(diào)系統(tǒng)。在冬季，地源熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管道（稱為地下?lián)Q熱器）從大地收集自然界的熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內(nèi)。再由裝在室內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和熱交換器把大地的能量集中，并以較高的溫度釋放到室內(nèi)；在夏季，此運(yùn)行程序則相反，地源熱泵系統(tǒng)將從室內(nèi)抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收，使房屋得到供冷。
二、工程概況
本工程為首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程，由兩棟辦公樓組成，總空調(diào)面積為4300m2，總采暖面積為7200mm2。此處0～100m為土壤層，地質(zhì)條件良好；有充裕的室外空間做地能井系統(tǒng)；廠區(qū)無外部冷熱源供給；業(yè)主要求系統(tǒng)安全、環(huán)保并且節(jié)能。綜合考慮以上情況，本方案設(shè)計(jì)采用地源熱泵系統(tǒng)，冬季用于供暖、夏季用于制冷。
三、負(fù)荷計(jì)算
方案設(shè)計(jì)階段，建筑物的冷熱負(fù)荷可采用面積負(fù)荷指標(biāo)估算的方法計(jì)算。
（1）熱負(fù)荷：Qr=F·q1/1000，式中：F—建筑面積（㎡），q1—熱負(fù)荷指標(biāo)（W/㎡）。
�。�2）冷負(fù)荷：Qc=n· F·q2/1000，式中：F—建筑面積（㎡），q2—冷負(fù)荷指標(biāo)（W/m2）。
由于辦公樓內(nèi)會(huì)議室較多，且采暖房間多集中在北側(cè)，因此冷熱負(fù)荷指標(biāo)取上限值。采暖面積=7200m2；熱指標(biāo)=95W/m2；熱負(fù)荷=684kW；空調(diào)面積=4300 m2；冷指標(biāo)=130 W/m2；冷負(fù)荷=559 kW。
四、冷熱源設(shè)備選型
1 地源熱泵機(jī)組選型
根據(jù)以上計(jì)算，總的冷負(fù)荷為559KW，總的熱負(fù)荷為684KW。
根據(jù)奇威特地源熱泵機(jī)組的性能參數(shù)，選用1臺(tái)VVVSN700機(jī)組，以滿足目前建筑物冬季供暖、夏季制冷的需求。
2 地下熱交換器設(shè)計(jì)與選型
�。�1）地能井系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算
根據(jù)建設(shè)單位對(duì)暖通專業(yè)的要求，本方案采用地埋管方案。
（4-1）
�。�4-2）
其中 Q'1夏季向土壤排放的熱，kW；Q1：夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW；Q'2：冬季從土壤吸收的熱量，kW；Q2：冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW；COP1：設(shè)計(jì)工況下機(jī)組的制冷系數(shù)；COP2：設(shè)計(jì)工況下機(jī)組的供熱系數(shù)。
根據(jù)以上參數(shù)表計(jì)算：Q'1=559×（1+1/5.3）=665kW；Q'2=684×（1-1/4.5）=532kW
（2）選擇熱交換器形式
熱交換器有水平或垂直兩種形式�？紤]到現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根據(jù)埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水溫地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，最深的U型管埋深已達(dá)180m。U型管的典型環(huán)路有3種，其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置雙U型管。
�。�3）串聯(lián)或并聯(lián)
地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)用較高，并且長(zhǎng)度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。即本方案采用雙U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。
（4）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(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多。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（PE）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PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。本方案采用聚乙烯（PE）水管。
�。�5）確定豎井埋管管長(zhǎng)
地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)算管長(zhǎng)。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量，一般垂直埋管為70m～100m（孔深），夏季釋放熱量為70～80W/m，冬季提取熱量為55～65W/m，水平埋管為10～20W/m（管長(zhǎng)）左右。根據(jù)甲方提供的對(duì)地下土壤參數(shù)，30米深以下為基巖，我方建議繼續(xù)向下打孔，打到大約100米深，夏季釋放熱量約為70～80W/m，冬季提取熱量為60～70W/m。 設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即夏季釋放熱量約為70W/m（管長(zhǎng)），冬季提取熱量為60W/m具體計(jì)算公式如下：
夏季：L=Q'1×1000/70
其中：L—豎井埋管總長(zhǎng)，m；Q'1-夏季向土壤排放的熱量，kW；分母“70”是夏季每m管長(zhǎng)散熱量，W/m
本方案中L= Q'1×1000/70=665×1000
/70=9500m
冬季：L=Q'1×1000/60
其中：L—豎井埋管總長(zhǎng)，m； Q'2—冬季向土壤提供的熱量，kW ；分母“60”是冬季每m管長(zhǎng)提供熱量，W/m。
本方案中L= Q'2×1000/60=532×
1000/60=8866m
�。�5）確定豎井?dāng)?shù)目及間距
豎井深度為100m，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目：
N=L/H （4-3）
其中 N—豎井總數(shù)，個(gè)；L—豎井埋管總長(zhǎng)，m；H—豎井深度，m；關(guān)于豎井間距：U型管豎井的水平間距一般為4-5m。夏季本方案中N=L/H=9500/100=95（個(gè)孔），冬季本方案中N=L/H=8866/100=89（個(gè)孔）。
打孔個(gè)數(shù)按照夏季系統(tǒng)豎井?dāng)?shù)量確定，為95個(gè)，占地約為1.5萬(wàn)平方米，待地能井系統(tǒng)施工完畢后，此區(qū)域可進(jìn)行綠化。
�。�6）確定管徑
在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求：（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(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱，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20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下，對(duì)較大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)量長(zhǎng)度以下，本工程地下熱交換器水流量為80m3/h，地埋管選用32mm管徑。
結(jié)論
根據(jù)前文分析情況，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，熱泵機(jī)組以冬季可提供的熱量為基準(zhǔn)選型；地能井系統(tǒng)的負(fù)荷需要根據(jù)地源熱泵機(jī)組的制冷制熱系數(shù)進(jìn)行修正，然后依據(jù)夏季的散熱情況來確定打孔個(gè)數(shù)。經(jīng)過投資費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的比較，地下熱交換器采用雙U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。地埋管采用聚乙烯（PE）水管。垂直埋管孔深大約為100m深，95個(gè)管孔，占地約為1.5萬(wàn)平方米。
地源熱泵系統(tǒng)的初投資比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高，但它的運(yùn)行費(fèi)用較低，系統(tǒng)安全可靠，維護(hù)量小、運(yùn)行穩(wěn)定，并且比風(fēng)冷熱泵節(jié)能約40%。
本套地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型方案密切結(jié)合工程實(shí)際，在保證了系統(tǒng)運(yùn)行效果的前提下，優(yōu)化方案，節(jié)省了投資，得到業(yè)主的好評(píng)，并對(duì)今后的類似工程開展起到很好的指導(dǎo)的作用。
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