设计总结11-地源热泵

《浅层地热能钻探技术规范》

由正规勘探单位进行勘探，出具可行性报告，再综合分析选用

目前地埋管系统较为成熟，打井、污水、河水失败案例较多

设计前相关要求

有地源热泵计算软件  

需要进行技术经济分析，考虑初投资和年回报率， 5年回收成本  

以别墅为例，地源热泵大约 1000元/m2，传统空调300～400元/m2  

需要有室外打井区域  

首先需要勘察单位提供土壤测试报告

（报告不进行审查，但作为设计依据和图纸一起报送）  

具备水文地质勘查设计资质和地源热泵系统工程承包资质的专业单位  

需要提供全年动态负荷计算，周期不小于 1年  

测试报告

建筑面积 ≥5000m2，岩土热响应试验  

建筑面积 1万～5万，≥2个；5万以上，≥4个  

埋管区域分散，且地质条件分区变化，分别布置测试孔  

建议： 单 U管和双U管各打2个洞，孔径150mm  

确定打井区域  

确定采用单 U管还是双U管  

确定井的有效深度和孔径  

确定打井间距（ 4～6m，间距越大，效果越好）  

根据土壤初始温度，夏季和冬季地埋管换热器进出水温要求，利用数值模拟软件给出结论  

单 U管效率≈双U管效率*2/3

主机制冷量 *1.26≈土壤释放量

主机制热量 ≈土壤吸热量/1.26

估算和经验总结

间距 4～6m，深度60～100m  

单 U管30～60w/m，双U管增加15%，具体根据地址条件  

如果地下水温高或岩土层含水量大，每米换热量可适当增加  

一般地下 15m，大致等于当地常年平均气温，深度每增加30m，地温大致提高1℃  

夏季，每延米（单位井深），排热量 W1=60w/m，（单U管数据）  

冬季，每延米（单位井深），吸热量 W2=35w/m，（单U管数据）  

每口井的散热量大约 6 kW， 每口井的吸热量大约 4 kW  

出水温度跟换热容量有关，容量越大，夏季温度约低，冬季温度越高，效率越高  

初投资越大，后期运行费用越低（所以打孔要结合造价和能效综合考虑）  

打井区域

靠近机房，远离水井和室外排水设施  

1、单独一块区域埋管  

2、沿着建筑物四周埋管  

3、建筑基础底板下埋管 （ 管道不应穿地下室防水底板敷设 ）  

中标单位需有在建筑物下边钻井及敷设管道的经验及实例  

4、利用混凝土基桩埋设，即将U形管捆扎在基桩的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，使U形管固定在基桩内，即桩基换热器（又叫能量桩）  

一般桩基深度为 25～60m，直径600～1200mm  

室外布置方式

采用并联布置 +采用同程布置+每对供回水环路集管连接的地埋管环路数宜相等  

一、直接布置  

二、通过二级分集水器布置  

二、通过三级分集水器布置  

分集水器最高位设置排气，最低位设置排污，并设置检查井  

打井面积和数量计算：（另有计算软件）

地埋管的环路集管不应包括在换热长度内  

地表面积约为建筑空调面积的 1/3～1/5  

1、已知埋管区域的长度和宽度  

可以打井的数量 =（长度/孔间距后取整+1）×（宽度/孔间距后取整+1）

2、已知需要的井数  

需要的埋管面积 =孔间距×孔间距×孔数（最大面积，最外层有1/2孔间距）  

经验数据  

住宅项目，打井面积与建筑占地面积约为 1:1  

300m2建筑面积需要至少80m2打井面积  

400m2建筑面积需要110m2打井面积  

地埋管费用

主要是打孔费用，跟地质条件有关  

从淤泥土 30元/m左右到花岗石180元/m左右，都有实例  

一般差不多 6000块-8000块一口井，含施工和水平管  

主要看土壤条件，不好打井的也有 1万以上  

回填

下管后，二次水压实验，无渗漏再封井  

用泥浆泵通过灌浆管将回填材料自下而上注入封孔  

回填材料的导热系数不小于周围岩土层的导热系数  

相关设计参数

形式：一般采用单 U管  

钻孔有效深度： 100m（40m～100m）  

孔径： 150mm（120mm～150mm，200mm，300mm）  

管材： HDPE-高密度聚乙烯管，（竖直管PE100，水平管PE80），或采用PB管，不宜采用PVC管  

管径： φ32*3.0 （常用） ， φ25*2.3  

孔间距： 4.5m*4.5m（3m～6m）  

总埋管长度：单 U管*2倍井深，双U管*4倍井深，不包括环路集管  

水平干管坡度： 0.3% ～ 05% ，不小于 0.2%  

单 U管流速不宜小于0.6m/s，双U管流速不宜小于0.4m/s  

水平环路集管距地面不宜小于 1.5m，且在冻土层以下0.6m ，一般在 1.5～2.0m  

供回水集管的间距不小于 0.6m，减少管间热传递  

水平埋管工作压力 1.0MPa，竖直地埋管工作压力1.6MPa  

相关计算

1、计算建筑物的冷负荷Q1和热负荷Q2（建筑面积估算）  

2、计算出夏季向土壤的排热量Q3和冬季从土壤的吸热量Q4  

Q3=Q1*（1+1/COP1），COP1～制冷系数，取5  

Q4=Q2*（1-1/COP2），COP2～供热系数，取4.5  

3、按照吸热量Q4计算室外打井数量  

竖井总深度： L=Q4*1000/W2，W2～单位孔深吸热量w/m  

竖井数量： N=L/井深，再加5口备用井  

实际土壤排热量： Q5=L*W1，W1～单位孔深排热量w/m  

冷却塔的排热量： Q6=Q3-Q5  

冷却塔的流量： Q=（0.86*Q6）/△T  

夏季地埋管换热器出口最低温度宜低于 33℃，冬季地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃  

夏季提供 7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃的热水  

土壤换热器夏季进出水温 30℃/35℃，土壤换热器冬季进出水温10℃/5℃  

循环水泵的流量：按照地源热泵机组蒸发器和冷凝器额定流量的较大值确定  

循环水泵的扬程：按照地源热泵机组蒸发器和冷凝器额定阻力的较大值确定  

地埋管换热器的承压能力 P=当地大气压+（地埋管系统最低点与最高点的高度差）+0.5*水泵扬程  

地埋管换热器的环路损失控制在 30～50kPa/100m  

地源热泵热回收若能取代太阳能热水器，则必须满足下面三个必要条件

必要条件 1：地源热泵热回收所产生的热水必须能满足用户的需求  

必要条件 2：地源热泵热回收制取生活热水的费用必须不得高于太阳能热水器  

必要条件 3：地源热泵热回收不会造成土壤温度的升高而导致机组无法使用  

主机选型

主机选型既可按照冷负荷也可按照热负荷， 但是井的数量都是按照热负荷计算  

是否采用闭式冷却塔由业主确定  

第一种方法：地源热泵 +螺杆机组 （打井数量少，占地面积小，造价便宜）  

1、按照整栋楼的（热负荷）进行设计选型，选用2台地源热泵主机，各负担一半热负荷  

2、不足的冷负荷另设螺杆机组和冷却塔  

3、其中1台或2台地源热源主机选用带全热回收型，用于夏季水专业的生活热水  

4、根据热回收量和使用时间，按照全年进行土壤热平衡计算，不满足平衡还需再设冷却塔或者调节热回收量、热回收机组的使用时间（也可与螺杆机组共用冷却塔）  

第二种方法：全部地源热泵 （打井数量多，占地面积大，造价贵）  

1、按照整栋楼的（冷负荷）进行设计选型，选用2台地源热泵主机，各负担一半冷负荷  

2、其中1台或2台地源热源主机选用带全热回收型，用于夏季水专业的生活热水  

3、根据热回收量和使用时间，按照全年进行土壤热平衡计算，不满足平衡还需再设冷却塔或者调节热回收量、热回收机组的使用时间  

热平衡计算

计算周期宜为 1年  

（夏季制冷排放量，冬季制热吸热量，冷却塔排放量，热水机组的吸热量，热回收机组的回收量等）  

总释热量与总吸收热量的不平衡率不宜大于 10%，否则辅助供热或散热  

其它要求

地源热泵的负荷侧和地源侧都是闭式系统，都需要设置定压补水装置  

监测要求

除了常规监控外，尚应对以下项目进行监测：  

1、 地下岩土温度  

2、 地源侧循环水进出水温度和流量  

3、 热泵系统耗电量和热泵系统能效  

4、 采用复合能源时，地源热泵系统与辅助能源的能耗分别计量

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