地埋管地源热泵空调系统

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源（如电能）实现由低品位热能向高品位热能转移。

地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内部，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内部，只是冬夏两季工作的温度范围不同而已。

地源热泵的分类与应用形式

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。

埋管式土壤源热泵系统

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。

垂直埋管－桩基换热器：

垂直埋管－地热智能桥：

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。

埋管式地源热泵应用方式

地源热泵系统设计

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。

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，kW

Q12—冬季从浅层地表吸收的热量，kW，Q2—冬季设计总热负荷，kW

COP1—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

选择室内末端系统

风机盘管系统，屋顶地板辐射采暖方式，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。

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。

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等热物性；

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。

热响应测试原理

热响应测试步骤

1.合理制定试验方案，根据现场及设计条件，合理选择试验钻孔位置，避免传热干扰，试验包括放热和取热试验；

2.测量并提供地下土壤的初始温度分布；

3.通过测量分析计算地下土层的综合热物性参数，包括土壤导热系数和热容，回填料的热物性参数和配比以及管材的热物性参数；

4.按照设计工况测试，测量提供埋管取热、放热特性，并进行分析对比。

5.根据埋管群布置情况，利用试验及模拟所得的数据，根据实际地源热泵系统的运行情况，对整个地源热泵埋管区域地下热响应进行计算机模拟计算分析，得出：地下土壤温度随时间变化；分别以加辅助散热设备和不加辅助散热设备两种情况下，得到实际运行的土壤热积聚情况分析；并根据土壤热积聚情况分析计算出供冷季和供热季地源热泵系统供冷供热能力。

6.根据模拟分析，为保证全年土壤取放热量平衡给出辅助散热设备的设计容量以及与地埋管换热器联合运行的控制策略。为工程设计提供参考数据。

地埋管土壤换热器设计

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。

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。

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（Simple Coaxial pipe）。

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。

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。

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。

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。

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）。规定管间距不小于4米。

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。

全年累积排、取热量比ral

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

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。

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：

方案应用的地域性分析

以5个典型气候区域代表城市的全年逐时空调负荷为例分析，5个代表城市分别为严寒A区的齐齐哈尔，严寒B区的沈阳，寒冷地区的北京，夏热冬冷地区的上海，夏热冬暖地区的广州。

依据：不平衡率越接近0时越容易实现全年热平衡，而越接近±100%则越难实现热平衡。

城市所属气候区热量不平衡率%可能的适用方案热泵形式

齐齐哈尔严寒区-96方案7～9----

沈阳严寒区-88.2方案7～9----

北京寒冷区-54.2方案7～9----

上海夏热冬冷区26.5方案2～6----

广州夏热冬暖区85方案2～6

地源热泵空调系统优化运行控制管理

地源热泵系统运行关键：稳定性、系统节能；

稳定性：地下放热取热稳定、长期运行的土壤热平衡；

系统节能：机组运行模式（热回收）、输送节能、地下有效交换换热。

复合运行模式

1）设定温度控制：以埋管换热为主，当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）达到并超过一设定温度时，即开启冷却塔辅助散热。

2）温差控制：当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）与室外湿球温度的差值超过一设定温度时，则开启冷却塔辅助散热。

3）控制开启时间：固定冷却塔的开启时间，例如每天晚上 8 点到 12 点开冷却塔，或固定每年某几个月始终开启冷却塔。

具体功能

客户/服务器结构

热湿状态监测

热泵操作参数限制

冷却塔/电动阀门/管路的自动切换

水地源地下温度监控

循环水泵状态监测及自动控制

末端状态监测及自动控制

历史数据查询

能耗远程管理