土壤源热泵系统设计

（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。

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[2]计算：

kW （1） 

kW （2）

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 

COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数 

COP2——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 COP1、COP2 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。

（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。（在下文将具体叙述）

（3）其它

2 地下热交换器设计

2.1 选择热交换器形式

2.1.1 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[3]，并且往往受可利用土地面积的，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：（1）U型管（2）套管型（3）单管型（详见[2]）。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。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[4]：最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种（详见[1]），其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。

2.1.2 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。

2.2 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；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。

2.3 确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：（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4mH２O/100m当量长度以下[1]。

2.4 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。文献[2]介绍了一种计算方法共分9个步骤, 很繁琐，并且部分数据不易获得。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，一般垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右[3]。 

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：

（3）

其中 Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW

L ——竖井埋管总长，m

分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m

2.5 确定竖井数目及间距

国外，竖井深度多数采用50～100m[2]，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:

（4） 

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。

地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算 

[ 时间：2005-1-4 15:53:00 来源：未知 作者：未知] 

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    摘　要　本文介绍了地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算中的有关问题，其中包括埋管方式、埋管深度、地下埋管系统的环路形式、埋管材料、埋管间距、埋管系统的管径选择及水力和热力计算等问题。 

　　关键词　地源热泵　地下埋管换热器　设计计算 

　　Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ 

　　　Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒｍ ｏｆ Ｂｒｕｉｅｄ Ｐｉｐｅ Ｔｙｐｅ ｆｏｒ 

　　　　　　Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ 

　　　　　　　　　by   Liu Xianying*   Ding Yong 

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ　This paper introduces some problems of design calculating and heat exchanger systems form of buried pipe systems for ground source heat pump. It includes buried pipe form and depth of buried pipe, around the road form of buried pipe systems and materials of buried pipe, intermission of buried pipe, choices diameter and hydraulics and thermodynamics calculating problems for buried pipe systems et al. 

　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ground source heat pump      buried pipe type heat exchanger     design and calculating 

 *Chongqing University 

0　引言 

　　地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用，本文就这方面的有关问题作些讨论，供同行们参考。 

1　埋管形式 

　　目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。 

1.1　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[1]，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法。按文献[1]介绍，单层管最佳深度0.8～1.0m，双层管1.2～1.9m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场地大，在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配；螺旋管优于直管，但不易施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少。图1是水平埋管系统的典型实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器有效换热量70kW，系统液体的流量为13.6m3/h(3.8l/s)。24个循环回路，12条沟，沟间距1.5m。每个回路的换热负荷2.92kW，液体流量0.57m3/h(0.158l/s)，单位换热量的液体流量为0.195m3/h·kW（3.25L/min·kW）。可利用的地面积是83m×30m=2 490m2。 

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1.2　垂直埋管 

　　根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；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U形管、套管和单管式，下面作一简述。 

　　1）U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100～150mm，井深10~200m，U形管径一般在φ50mm以下（主要是流量不宜过大所限）。由于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了48万m2空调建筑的地源热泵系统，有390个深度超过120m的地下埋管，据介绍，采用这种地源热泵系统较常规空调每年可节约各种费用45.5万美元，其中能量费用33万美元，节电25%，节约燃料费70%。 

　　国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面。如瑞士某工厂地源热泵系统从600个桩基中吸收热量或冷量，用于2万平方米建筑物的供暖和制冷。 

　　2）套管式换热器的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ２５ｍｍ。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据文献[2]的试验结果，其换热效率较U形管提高16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。 

　　3）单管型在国外常称为“热井”，它主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关及法规大。 

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2　埋管深度 

　　水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。结合国情，根据笔者的工程实践体会，其中有几点应注意到：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。 

　　一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通承压（0.6～1.0MPa）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。 

　　深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。其缺点是投资大，成本高，需采用高承压（1.6～2.0MPa）塑料管，钻机性能要求高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现热平衡。 

　　中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。 

　　在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济，如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有限时则应采用垂直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔。 

3　地下埋管系统环路方式 

3.1　串联方式和并联方式 

　　在串联系统中，几个井（水平管为管沟）只有一个流通通路；并联方式是一个井（管沟）有一个流通通路，数个井有数个流通通路，图2是串联和并联系统示意图。图3是垂直埋管典型的并联系统工程实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器换热量70kW，孔间距4.5m，与建筑物边界间距3m，占地面积为45m×15m=675m2。与图1相比，在同样埋管的换热量下，垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少73%左右。 

　　串联方式的优点是：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于并联方式。其缺点是：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多； ③安装劳动成本增大； ④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。 

　　并联方式的优点是：①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；②所需防冻液少；③安装劳动成本低。其缺点是：①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%），以保证每个并联回路有相同的流量；③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。 

　　从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多。 

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3.2　同程式和异程式 

　　根据分配管和总管的布置方式，有同程式和异程式系统。在同程式系统中，流体流过各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。异程式系统中流体通过各埋管的路程不同，因此各个埋管的阻力不相同，导致分配给每个埋管的流体流量也不均衡，使得各埋管的换热量不均匀，不利于发挥各埋管的换热效果。 

　　由于地下埋管多环路难于设置调节阀或平衡阀，难于做到系统各环路的水力平衡，因此在实际工程中采用同程式者居多（如图3所示）。 

4　埋管材料 

4.1　管材 

　　地下埋管系统基本上不能进行维护，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。60年代以前，地下埋管多用金属管，虽然它的传热性能好，但耐腐蚀性差，使用10～20年就已腐蚀坏，严重降低了地源热泵的使用寿命，因此也阻碍了地源热泵的发展。70年代，大量塑料管的出现，克服了金属管的缺点，促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。表1是目前几种常用的塑料管性能。 

4.2　选择埋管种类应注意的问题 

　　1） 了解制造商提供管子所属的“管子体系”，该管子是由何种树脂制作而成，抵抗环境应力致裂的能力，有关管子材料说明和安装方法。 

　　2） 应选择导热系数大，流动阻力小，热膨胀性好，工作压力符合系统要求，工作温度-20～70℃，售价相应较低的管材。 

　　3） 在保证要求情况下，选择的管材管壁尽量薄，配套用管件不应选择金属的，最好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。 

　　4） 应要求厂家提供管子阻力计算用的图、表或相应的数据。 

　　5） 能按用户要求的管子长度，成捆供应，以减少埋管接头数量。 

　　6） 选用管子时注意管子的外径、内径及厚度。一般塑料管规格为：52.7mm，即1/2"（φ20×2，di=16）；19.05mm，即3/4"(φ25×2.3，di=20.4)；25.4mm，即1"(φ32×2.9，di=26.2)；31.75mm，即1/1/4"(φ40×3.7，di=32.6)；38.1mm，即1/1/2"(φ50×4.6,di=40.8)；50.8mm，即2"(φ63×5.8，di=51.4)。 

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5　埋管间距 

　　视现场情况和工程大小，埋管可沿建筑物周围布置成任意形状，如线形、方形、矩形、圆弧形等等。但为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关。 

5.1　水平埋管 

　　文献[1]建议，串联每沟1管，管径31.75~50.8mm，即1/1/4"～2"；串联每沟2管，管径31.75~38.1mm，即1/1/4"～1/1/2"。 

　　并联每沟2管，管径25.4~31.75mm，即1"～1/1/4"；并联每沟4～6管，管径19.05~25.4mm，即3/4"～1"。 

　　管沟间距：每沟1管的间距1.2m，每沟2管的间距1.8m，每沟4管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于0.6m。 

5.2　垂直埋管 

　　文献[3] 认为长期间歇运行的垂直埋管地源热泵间距3m左右较适合；文献[4] 建议埋地取热（冬季）盘管的间距取4m，埋地放热（夏季）盘管间距约为5m，综合考虑冬夏工况，U形管埋地换热器管间距应大于5m。文献[5] 通过U形埋管冬、夏长时间的运行发现，埋管周围发生温度变化，其作用半径是3m左右。文献[1] 建议相邻孔洞的最小距离4.5m。笔者按照埋管换热器附近大地热阻计算公式，计算出单根埋管换热器的大地热阻R0单和多根埋管换热器的大地热阻R0多，提出了一个管群修正系数η的概念，即η＝R0多 / R0单。η大表明管群的热干扰大，换热效率下降[2]。用笔者开发的GSHP.EXE计算程序[6]对η的计算结果见表2。 

　　计算时假设管间距6m时无热干扰，即η=1。表中相邻5、6管是管群按错排等距埋管布置的数据，如管群顺排等距布置，其相邻最多管数为4。 

　　从表2看出，管群修正系数η与运行工况、埋管间距和相邻埋管个数有关。如连续运行40天，单排埋管布置，相邻只有2根管，间距4.5m换热比6m的约低4%，间距3m比6m的约低12%；而多排埋管布置，相邻4根管，间距4.5m换热比6m的约低8%，间距3m比6m的约降低25%。根据如上，竖埋管间距的几点建议为：

　　工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m。 

当然从换热角度分析，间距大热干扰少，对换热有好处，但占地面积大，埋管造价也有所增加。 

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6　埋管系统的管径选择及水力和换热计算 

6.1　管径的选择原则 

　　在选择和设计管径时应考虑如下问题： 

　　①从运行费上考虑管径越大越好，以降低泵的输送功率，减少平时的运行费；② 从初投资上考虑管径不能太大，必须保证管内流体处于紊流区（Re≥2100），以增加流体与塑料管壁的换热系数；③ 系统环路长度不要太长；④ 不同的流体对阻力和换热都有影响，因此选择管径时应特别加以注意。 

　　综合考虑，推荐采用薄壁小管径管子，并联布置方案。 

6.2　埋管内工作流体 

　　在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：①盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。 

　　一般来说，盐溶液具有安全、无毒、无污染、导热性能好、价格低、使用寿命长等优点，其缺点是系统有空气存在时，对大部分金属具有腐蚀性。在正确选用管材、部件和系统内空气被排除干净的情况下，盐溶液是一种很好的防冻液。 

　　乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性，具有较好的导热性能，价格适中，但使用寿命有限，且有毒。 

　　酒精水溶液具有无腐蚀性、较好的导热性、价格适中、使用寿命长等优点，缺点是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前应用水将其稀释，以降低其爆炸的可能性，由于其无腐蚀性，作为防冻液很受欢迎。 

　　表3是不同流体、流量、管径下的沿程阻力及换热系数计算表。计算时采用水（+5℃），20%CaCl2水溶液（-5℃）和20%乙二醇水溶液（-5℃）作为计算依据，三种流体的热物性参数见表4。 

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6.3　最小管内流速（流量） 

　　按文献[7]，临界雷诺数Rek=2 000，Re>2 000为紊流，Re<2 000为层流。根据Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4·Vk·3 600的计算公式，可求出上述三种流体在不同管径下的最小流速，即最小流量，计算结果见表5。 

　　上述公式中符号，Re——雷诺数；V、Vk——流速；临界流速，m/s；Qk——临界流量，m3/h；di——管内径，m；ν——运动粘带性系数，m2/s。 

　　从表3和表5可见，在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。 

6.4　不同流体管内换热系数aw (w/m2·k)计算 

　　按文献[8]，当Re>104时，其流体侧换热系数aw可用下式计算，即： 

　　aw=β＝０．０２１（1） 

当2 100上面公式中符号意义、单位同前，计算时取表6中均值，部分流量及管径下的aw计算值见表3。从表中看出在相同流速、相同管径下，水的换热系数最大。其大小排序为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具体比值与管径和流速有关，在表3的取值范围内，其大小比值为1：0.47～0.62：0.41～0.56。 

6.5　管路沿程阻力hf（kPa/100m）计算 

　　按文献[7]的计算公式为： 

　　hf=λ＝λ（2） 

　　式中：λ——沿程摩擦阻力系数；L——管长度，m。 

　　由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑（过渡）区内，即2 100　　几种流体在不同流速、不同管径下的hf见表3。从表3看出，在相同管径、相同流量下，CaCl2水溶液的hf为水的1.44倍；乙二醇水溶液的hf为水的1.28倍。 

6.5　有关水流量和压力损失的推荐值[1] 

　　① 地下埋管换热器环路压力损失在30～50kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。 

　　② 地下埋管系统单位冷吨（1冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s·t（0.045～0.054L/s·kW或2.7～3.24L/min·kW）为好，大于0.19L/s·t（3.24L/min·kW），泵的消耗功率显著上升。 

　　③ 循环水泵消耗功率P与热泵容量名义冷吨之比控制在50～75W/热泵能力冷吨（14.2～21.3W/kW）为好。 

　　④ 不同管径下的埋管深度及最小钻孔孔径推荐值见表7。 

参考文献 

1　Commercial/Institutional Ground-Source Heat Pump Engineering Manual.1995 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Ice. 

2　刘宪英， 等. 浅埋竖管换热器地热源热泵夏季供冷试验研究. 暖通空调， 2000， 30(4):1-4 

3　刘宪英， 等. 地源热泵地下埋管换热器试验介绍. 中国冷冻空调杂志， 1999 

4　殷平. 地源热泵在中国. 北京：中国建筑工业出版社，2001 

5　于立强， 等. 垂直埋管地源热泵系统实验研究. 见：全国暖通空调制冷2000年学术文集. 2000. 144-152 

6　王勇， 刘宪英， 等. 地源热泵及地下蓄能系统的实验研究. 暖通空调，2003， 33(5):21-23 

7　周谟仁， 主编. 流体力学泵与风机（第三版）. 北京：中国建筑工业出版社，1994 

8　彦启森， 等. 空气调节用制冷技术（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，1985 

地源热泵设计方案

2008-08-08 08:03 来源：

    引言

    地源热泵作为热泵技术应用的一个新的分支，由于其节能和优越的环保性能，近年来正在得到广泛的应用。地源热泵是利用土壤的良好蓄热及蓄冷特性进行的热力学逆循环的一种工程应用；在冬季供热时，热泵系统通过预埋在地下的管道将储存在地下的热通过传热介质吸收，作为逆循环中的低温热源，由热泵完成逆循环并向热用户提供热量；在夏季供冷时，利用地下环境温度较低的特点使制冷系统中的冷凝温度降低，从而提高系统的制冷系数，与冷凝器直接与空气环境进行热交换的普通空调器制冷相比，有一定的节能效果。由于地源热泵系统在运行工作过程中除驱动热泵的动力外，无需其他热源或动力，而驱动热泵的动力主要是电能。因此，如不考虑电能的来源，地源热泵系统是城市供热及供冷的一种清洁能源，它不需要建立一般城市供热所需的锅炉房，同样也不存在由于燃料燃烧（燃煤、燃油）而带来的城市环境污染问题，可以实现冷热联供。此外，在实际使用中，对于一些受客观条件而无法采用其他供热、供冷方式的场所，如高速公路收费站、人员设备相对较少的科考站、边防哨所，地源热泵则更体现出其特有的优越性；基于以上特点，本文对津港高速公路收费站地源热泵系统的设计及实际运行效果进行了系统分析。

    一、地源热泵系统负荷计算

    1．1　热泵系统负荷计算

    津晋高速公路天津段自天津起至大港，全长35公里，建有三个收费站。津港收费站包括综合楼、综合楼附属用房及7个收费亭。其中综合楼建筑面积为744m2；综合楼附属餐厅为80m2；7个收费亭合计建筑面积47m2；津港收费站合计总建筑面积为871m2。

    根据天津气候条件及收费站建筑物的土建围护结构，本设计采用了ASHRAE推荐提供的CLF冷负荷系数法计算收费站建筑负荷；地源热泵系统在制冷工况时，蒸发器温度为7～12℃，冷凝器温度为30～35℃，室内温度25℃。其中收费站综合楼和附属用房的供冷负荷为120W／m2，收费亭供冷负荷为220W／m2。据此，津港收费站供冷最大负荷合计为113 KW，津港收费站埋地换热器放热最大负荷合计为146 KW。

    热负荷计算，本设计采用了ASHRAE推荐提供的方法计算收费站建筑热负荷，地源热泵系统在制热工况时，冷凝器温度为45～50℃，蒸发器温度为2～6℃，室内温度为18℃。其中收费站综合楼和附属用房的供热负荷为100w／m2， 收费亭供负荷为120 W／m2。由此可以计算出津港收费站最大供热负荷为92KW。

    1．2　室内末端系统设计

    津港收费站需要供热、制冷的房间位置相对比较集中，功能比较单一。根据津港收费站现场的实际情况，地源热泵系统为集中空调系统，附属用房单独设计热泵机房，室内末端系统设计采用风机盘管系统，以达到每个房间要求的空调温度。

    1．3　室外埋管系统设计

    根据该建筑的实际情况设计地源热泵系统应以达到夏季制冷、冬季供热的要求，津港高速公路收费站地源热泵系统的室外埋管系统采用垂直U型埋管方式。根据埋地换热器放热最大负荷计算，采用垂直U型埋管方式需打井45口，井深100米。室外垂直埋管占地面积最小需要300平米，收费站的实际占地面积完全可以满足施工要求。此外，在埋管场地上还可建停车场、装饰或植树绿化等设施；对地面实际有效使用面积并无影响。冬季供热和夏季供冷时，地源热泵系统通过控制四通阀可以实现冬、夏两季不同工况的转换。

    二、津港收费站地源热泵空调系统运行费用

    夏季空调运行100天，每天24小时运行。冬季空调运行120天，每天24小时运行。室内空调循环水泵功率为3 KW，室外空调循环水泵3KW，热泵机组两台，单台机组电功率13．3KW，运行系数0．49，根据有关实际运行情况及室内外参数情况，对系统在冬、夏两季的耗电量和运行费用进行了分析计算，结果如表1所示。

    电价计算时按峰、谷、平计算，其中：

　　峰电价： 0．33（元／kw·h）， 时间：8：00～11：00　18：00～23：00

　　谷电价：0．2873（元／kw·h），时间：23：00～7：00

　　平电价：0．5793（元/kw·h)，时间：11：00～18：00　7：00～8：00

    根据现场实测数据，地源热泵系统在夏季制冷工况工作时，Cop=4．50；在冬季供热工况工作时，Cop=4．1。

    在同样的供热和制冷负荷条件下，如采用普通的空调器进行冬季供热和夏季制冷，其中在供热工况时，普通空调器的性能系数为2．2，而在制冷工况时，制冷系数为2．9，在此条件下，运行费用为：冬季供热：71057元，夏季制冷55175元；全年共计126232元。与此相比，地源热泵可节约费用约63％。

    三、 结　论

    通过对津晋津高速公路津港收费站地源热泵系统的分析，本文得出以下结论：

　　1．由于采用了地下埋管换热器，使地源热泵系统在冬季供热时的COP值增加，本文实测可达4．5，这是由于冬季工况工作时，地下温度比环境温度高，从而使地源热泵系统的蒸发温度提高，导致系统的COP值增加。

　　2．地源热泵系统在夏季供冷时，由于地下温度低于环境温度，使热泵系统的冷凝温度降低，导致系统的制冷系数提高，高于普通空调器的制冷系数。

　　3．与以空气作为热源的普通空调器相比，在满足相同的冷、热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用65％左右。

　　4．由于地源热泵系统无需消耗燃料，使用便捷；可以有效改进局部环境，对环境保护有积极的促进作用。

参考文献

[1] 蒋能兆等，空调用热泵技术及应用，北京；机械工业出版社，1994

[2] 陆耀庆，实用供热空调设计手册，北京；中国建筑工业出版社，1993

[3] 曾丹苓等，工程热力学（第三版），北京；高等教育出版社，2002