地埋管地源熱泵空調系統
時間:2022-02-10
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原標題：地埋管地源熱泵空調系統
地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。
地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內部，夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內部，只是冬夏兩季工作的溫度范圍不同而已。
地源熱泵的分類與應用形式
根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。
埋管式土壤源熱泵系統
垂直埋管地源熱泵系統：換熱器井管路直接接入機房、換熱器井管路匯集到集水器。
垂直埋管－樁基換熱器：
垂直埋管－地熱智能橋：
螺旋埋管地源熱泵系統：長軸水平布置的螺旋埋管、長軸豎直布置的螺旋埋管、溝渠集水器式螺旋埋管。
埋管式地源熱泵應用方式
地源熱泵系統設計
熱泵機組的選擇
熱泵容量的選擇；
熱泵性能的確定：土壤熱泵的性能取決于熱泵的進水溫度，必須確定室外空氣和進水溫度之間的關系。進水溫度與多個因素有關，如一年的運行時間，土壤類型，土壤換熱器的類型、大小等。
冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式計算：
其中，
Q11—夏季向淺層地表排放的熱量，kW，Q1—夏季設計總冷負荷，kW
Q12—冬季從淺層地表吸收的熱量，kW，Q2—冬季設計總熱負荷，kW
COP1—設計工況下水-水熱泵機組的制冷系數
COP2—設計工況下水-水熱泵機組的供熱系數
選擇室內末端系統
風機盤管系統，屋頂地板輻射采暖方式，全空氣系統等。通常采用風機盤管系統時，空氣分布系統的設計主要考慮以下三個方面：
（1）選擇安裝風管的最佳位置；
（2）根據室內的得熱量/熱損失計算來選擇并確定空氣分布器和回風格柵的位置；
（3）根據熱泵的風量和靜壓力，布置風管的走向，確定風管的尺寸。
地源熱泵土壤熱響應測試
設計地源熱泵系統的地熱換熱器需要知道地下巖土的熱物性參數。如果熱物性參數不準確，則設計的系統可能達不到負荷需要；也可能規模過大，從而加大初期投資。另外，不同的封井材料、埋管方式對換熱都有影響，因此只有在現場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數。
埋管式地源熱泵熱響應測試要求
實驗主要在三個方面展開：
1）首先是熱響應測試，以恒定的加熱功率求出地埋管換熱器進出口溫度隨時間的變化情況，通過曲線擬合求出土壤的導熱系數等熱物性；
2）模擬夏季空調的制冷試驗，測量井埋管換熱器的放熱能力；
3）模擬冬季的制熱試驗，測量井埋管換熱器取熱能力。
熱響應測試原理
熱響應測試步驟
1.合理制定試驗方案，根據現場及設計條件，合理選擇試驗鉆孔位置，避免傳熱干擾，試驗包括放熱和取熱試驗；
2.測量并提供地下土壤的初始溫度分布；
3.通過測量分析計算地下土層的綜合熱物性參數，包括土壤導熱系數和熱容，回填料的熱物性參數和配比以及管材的熱物性參數；
4.按照設計工況測試，測量提供埋管取熱、放熱特性，并進行分析對比。
5.根據埋管群布置情況，利用試驗及模擬所得的數據，根據實際地源熱泵系統的運行情況，對整個地源熱泵埋管區域地下熱響應進行計算機模擬計算分析，得出：地下土壤溫度隨時間變化；分別以加輔助散熱設備和不加輔助散熱設備兩種情況下，得到實際運行的土壤熱積聚情況分析；并根據土壤熱積聚情況分析計算出供冷季和供熱季地源熱泵系統供冷供熱能力。
6.根據模擬分析，為保證全年土壤取放熱量平衡給出輔助散熱設備的設計容量以及與地埋管換熱器聯合運行的控制策略。為工程設計提供參考數據。
地埋管土壤換熱器設計
在現場勘測的基礎上確定換熱器埋管采用垂直布置還是水平布置方式。盡管水平布置時通常為淺層埋管，初投資一般會少些,但換熱性能比垂直布置時差很多，并且往往受可利用土地面積的限制,所以在實際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。
1 水平埋管：水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式。
2 垂直埋管：一般有單U 形管，雙U 形管，W型管、套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。目前使用最多的是單U 形管（Single-U-pipe），雙U 形管（Double-U-pipe），簡單套管式管（Simple Coaxial pipe）。
3 土壤換熱器的埋管深度：①鉆井深60m 以內井深的鉆機成本少，費用低，如果大于60m，其鉆機成本會提高；②井深80m 以內，可用國產普通型承壓（承壓1.0MPa）塑料管，如深度大于80m，需采用高承壓塑料管，其成本大大增加；③據比較，井深50m 的造價比100m 的要低30%～50%。上述是針對地面中央機房而言，如果采用分室型的水源熱泵系統還要考慮建筑高度的影響。
從統計的國內外工程實例看，中埋的地源熱泵占多數。
連接方式
地下換熱器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種：
串聯系統管徑較大,管道費用較高,并且壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小管道費用較低,且常常布置成同程式,當每個并聯環路之間流量平衡時,其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統能力。因此,實際工程一般都采用并聯同程式。
管材選擇及長度計算
管材選擇
地埋管應采用化學穩定性好、耐腐蝕、導熱系數大、流動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 材料按照國際上統一的標準劃分為五個等級：PE32 級、PE40 級、PE63 級、PE80 級和PE100 級。用于地源熱泵管道PE 管的生產為高密度聚乙烯HDPE，其等級是PE80、PE100 兩種）。
地埋管長度計算
地源熱泵換熱器的換熱量應該滿足空調主機實際所需最大吸熱量和施熱量。
根據現場實測的巖土體及回填材料的熱物性，以及熱泵機參數、建筑物逐月負荷、設定循環液體進出溫度、給定換熱器結構尺寸，采用專用軟件進行計算。也可以用半經驗公式計算。
地埋換熱器系統水力計算
管道壓力損失計算：在同程系統中,選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環路作為最不利環路進行阻力計算。
循環泵的選擇：單機揚程一般不超32m，變流量水泵，功率不超過30kw。塑料管的摩擦阻力遠比鐵管小。
確定埋管管長與埋管間距：地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等（通過熱響應實驗測得）。規定管間距不小于4米。
地下熱平衡設計
《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2009規定：
地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算，最小計算周期宜為一年。計算周期內，地源熱泵系統總釋（排）熱量宜與其總吸（取）熱量相平衡。
各種設計方案的機理：依據巖土體的熱平衡狀況：即不同地區氣候條件、不同功能的空調房間和不同運行方式所形成的累積排熱量與累積取熱量的狀況。
全年累積排、取熱量比ral
全年累積排、取熱量比ral（ratio of accumulated loads）是全年向地埋管換熱器的總排熱量與其總取熱量之比。
歷年累積排、取熱總量曲線
ral≈1的工程，冬季開始供熱使用，然后在夏季制冷，全年冬夏季取排熱總量相等，負荷總量變化曲線為曲線①。反之，夏季開始制冷使用，則為曲線④。
熱平衡設計的九種設計方案
據巖土體的累積排熱量和累積取熱量的平衡狀況和我國不同地域、不同氣候特點，提出以下9種設計方案：
方案應用的地域性分析
以5個典型氣候區域代表城市的全年逐時空調負荷為例分析，5個代表城市分別為嚴寒A區的齊齊哈爾，嚴寒B區的沈陽，寒冷地區的北京，夏熱冬冷地區的上海，夏熱冬暖地區的廣州。
依據：不平衡率越接近0時越容易實現全年熱平衡，而越接近±100%則越難實現熱平衡。
城市
所屬氣候區
熱量不平衡率%
可能的適用方案
熱泵形式
齊齊哈爾
嚴寒區
-96
方案7～9
----
沈陽
嚴寒區
-88.2
方案7～9
----
北京
寒冷區
-54.2
方案7～9
----
上海
夏熱冬冷區
26.5
方案2～6
----
廣州
夏熱冬暖區
85
方案2～6
地源熱泵空調系統優化運行控制管理
地源熱泵系統運行關鍵：穩定性、系統節能；
穩定性：地下放熱取熱穩定、長期運行的土壤熱平衡；
系統節能：機組運行模式（熱回收）、輸送節能、地下有效交換換熱。
復合運行模式
1）設定溫度控制：以埋管換熱為主，當通過埋管進入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）達到并超過一設定溫度時，即開啟冷卻塔輔助散熱。
2）溫差控制：當通過埋管進入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）與室外濕球溫度的差值超過一設定溫度時，則開啟冷卻塔輔助散熱。
3）控制開啟時間：固定冷卻塔的開啟時間，例如每天晚上 8 點到 12 點開冷卻塔，或固定每年某幾個月始終開啟冷卻塔。
具體功能
客戶/服務器結構
熱濕狀態監測
熱泵操作參數限制
冷卻塔/電動閥門/管路的自動切換
水地源地下溫度監控
循環水泵狀態監測及自動控制
末端狀態監測及自動控制
歷史數據查詢
能耗遠程管理
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