浅谈土壤源热泵空调设计

　　摘要：为更好响应“十二五”期间国家对节能减排的要求，本人凭对地源热泵设计经验，通过案例介绍总结了土壤源热泵的设计基本情况、地埋管换热器设计中需要注意的问题，为土壤源热泵空调系统设计提供了参考。
　　关键词：土壤源热泵；设计；施工；要点
　　
　　1地源热泵目前使用背景
　　根据国务院下发的《十二五节能减排综合性工作方案》作为经济结构调整、产业升级和社会转型的重中之重。根据《工作方案》确定的总体目标，“十二五”期间，我国在单位国内生产总值能耗、化学需氧量、二氧化硫、氨氮和氮氧化物排放量方面，均较“十一五”期间有显着下降。
　　减排是依据节能，多节能才能多减排，作为耗能占社会总能耗约三分之一的采暖空调用户，节能的尤为重要，首先是设备节能、其次系统节能、有效的维护管理等都是十分重要的。地源热泵空调冷热源具有环保、节能等特点，符合我国提倡的可持续、节能、环保空调的大方针。随着地源热泵工程案例越来越多，工程中存在良莠不齐的状况。本人涉足地源热泵空调系统设计，积累了一些设计及施工经验，以飨读者，不对的地方也请批评指正。
　　2地源热泵系统设计简介
　　本人完成一宾馆建筑物的地源热泵设计，其中空调冷负荷为2400kW，热负荷为1600kW，生活热水热负荷800KW。
　　本系统采用室外地埋管换热器利用土壤的冷、热量为房间提供冷热源。利用水路阀门的切换实现系统的制冷、制热转换。
　　地源热泵机组选用两大一小，便于负荷的灵活调节，高温热水机组可同时供空调制冷和制热。
　　夏季：高温热水机组优先运行，制取冷冻水的同时制取55℃的生活热水，生活热水储存于水箱中。当制取的生活热水温度达到设定温度时，旁通电动阀开启，高温热水机组热量由地埋管换热器承担。
　　冬季：生活热水和室内热负荷所需热量均由地埋管换热器吸收地下热量。当生活热水达到设定温度时，高温热泵机组停止制取生活热水。然后电动旁通阀开启，高温热水机组通过板式热交换器向空调系统提供不足部分的空调热负荷。
　　三台机组根据生活热水负荷、空调冷、热负荷调节启停运行，夏季优先启动高温热泵机组制冷，冬季优先启动常温热泵机组制热。
　　高温热泵机组和室内或地埋管的热量交换通过板式换热器交换。
　　电动调节阀由安装于高温热泵机组入口端的带电信号温度计控制开度，当生活热水储水箱中温度高于55℃时，电动调节阀开启，热水通过热交换器换热至空调水循环中，承担空调热负荷。当生活热水储水箱中温度低于55℃时，电动调节阀关闭，高温机组继续加热生活热水。
　　3地埋管换热器的设计要点
　　地源热泵系统设计成功与否关键在于地埋管换热器系统的设计，要把地埋管换热器系统设计好，必须做好以下几方面的工作。
　　3.1地埋管换热器换热的认知
　　地埋管换热器的换热特性受以下三方面影响，应充分给予认识，这对于指导地埋管换热器的设计有指导意义。以下探讨仅针对夏季工况：①随着埋管深度的增加，出口水温降低，进出水温差是增大的，但是单位井深平均换热量是减少的。因此我们在设计地埋管换热器井深时，不能因平面位置有限而一味求深，使得地埋管换热器的换热效果差，而成本增加。②单位井深换热量随着进口水温的升高而明显增加的。这主要因换热温差大影响的结果，因此过分担忧因热堆积而致热泵系统失效，不能工作是不必要的。③随着流速的增加，进出口温差不断减小。但循环水与单位长度管壁的换热量随着流速增加而增大。这里还应明确，管内水流速的增加，水泵耗能是增加的。
　　3.2热平衡（热堆积）问题
　　根据文献分析，在夏、冬季向土壤的排、取热平衡率不大于20%的地区，土壤源热泵全年运行对地下年平均基本无影响，这样一般工程中均不采取辅助散热措施。
　　对于热平衡率大于20%的地区就需要具体分析。如果：①具有高渗透性的土壤，如细沙砾层、粗纱层、中型砂或砂和沙砾，即意味着地下水具有足够高的流速，可以防止在年度吸热和散热不平衡时地下温度在系统使用中逐年增加。②使用窄长形区域埋置地埋管散热器，且长边方向垂直地下水流动方向的，可以在一定程度上避免热堆积的形成。③对于如办公区域，体育场馆等间歇运行的场所，有足够的时间通过高渗透性土壤扩散掉，有利于埋管区域土壤温度的恢复。若以上条件均具备，可以适当放宽热不平衡率，依然可以取得良好的土壤源热泵运行效果。
　　若热不平衡，如何解决？如果热不平衡远大于20%，又不具备上述所讲的其它有利条件，建议设置板换和冷却塔的辅助放热措施（板换和冷却塔直接设于地埋管侧，用板换与机组隔离）在每年的初春季节室外干、湿球温度较低时将土壤中多余的热量“放掉”。此种运行方式明显优于在地源热泵主机上串联板换和冷却塔（地源侧热水从机组出来后先进入板换，间接通过冷却塔散热，再送入地埋管中）或并联板换和冷却塔（地源侧热水一路进入地下土壤放热，一路进入板换，间接通过冷却塔放热）。前者使水泵功率加大太多，夏季通过板换和冷却塔放热效率太低；后者效果也同样不理想，且水流量很不易控制。若土壤源侧循环水不经过板换直接将地源热泵机组接入冷却塔散掉多余热量的做法是很危险的。当然也可以按冬季吸热量设计地埋管和地源热泵机组，夏季地源热泵机组部分运行，制冷量不足部分使用单冷螺杆机组加冷却塔的方式，但工程造价将大幅度上升。
　　3.3采用单U管，还是双U管问题
　　常见埋管方式有单U管、双U管、W型管三种方式，而其中以前两种使用较多，由于双U散热比单U会增加约40%，孔间距通常为4m×4m或更高，总体而言双U管系统比单U管系统造价稍低或持平，但双U管造成的“热堆积”现象较单U管系统严重的多。而且单双U管使用的管材不同，单U管使用PE100De32×2.9管材，而双U管使用PE100De25×2.3管材。虽然其承压都可达到1.6MPa，但双U管壁厚度只有2.3，施工过程中由于一个井内要放置两套U型管路，井壁易坍塌。同时又容易造成PE管材损坏，破裂，又双U管热熔焊点较之单U管增加一倍，地埋管的泄漏概率大。
　　因此若埋管区域较大、地下又为富含水层的沙土结构，打井费用较低，建议采用单U管埋管。若埋管区域较小，地下有花钢岩等打井费用较高，建议采用双U管埋管。在一些特殊情况下，如为了避开暗管、涵洞等可采用孔距较大时，建议采用双U埋管。
　　3.4回填土的问题
　　竖直地埋管换热器灌浆回填宜采用膨润土和细砂（或水泥）的混合浆或专用灌浆材料，当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填。土壤为沙土结构的，井壁很容易坍塌，为此必须使用大量的膨润土护壁，使用膨润土的比例要很高。
　　3.5管线布置问题
　　设置在室外地坪或绿化地带中的地埋管侧的集、分水器最好采用PE管材制作，井底部只要设置条形基础，周边砌筑井壁，内用黄砂覆盖地埋管，但需留出阀组位置。集分水器井上应铺设水泥盖板。样既以避免使金属集、分水器的腐蚀，又可解决井底排水。
　　室外地埋管水平连接管至机房，室外与分、集水器连接选用焊接钢管，管道经过防腐处理。室外水平布置管道建议采用同程系统，系统水力平衡好，易于调节。
　　3.6其他问题
　　地埋管换热器的选用材质、施工质量、系统试压、系统防冻等均会对地源热泵系统有影响，也应给足够的重视。万一地埋管换热器出现问题，较地面上工程是难以查找症结的。
　　4结束语
　　对于要使用50年的地埋管换热器系统，我们要精心策划、精心设计、精心施工、精心管理，才能确保地源热泵系统实现安全、节能的运行。

《浅谈土壤源热泵空调设计》

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