地埋管地源热泵系统的设计

    地埋管地源热泵系统是利用地下土壤作为热泵低位热源的热泵系统,主要包括3套管路系统:室外管路系统、工质循环系统及室内空调管路系统。室外管路系统其实是一个土壤耦合地热交换器,通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体,使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的。冬季时,从土壤中吸收热,经过热泵提升后,将热量供给热用户,相当于常规空调系统的锅炉,同时在土壤中储存冷量,以备夏季空调用。夏季时,将室内的余热经过热泵转移后通过埋地盘管释放到土壤,相当于常规空调系统中的冷却塔,同时储存热量,以备冬季采暖用(见图1)。

    地埋管地源热泵系统中又根据地埋管换热器的埋置方式不同,分为水平地埋管换热器、以及竖直地埋管换热器。

    其中:水平地埋管换热器分为:(1)单或双环路,双或四环路以及三或六环路;(2)垂直排圈式;(3)水平排圈式;(4)水平螺旋式。竖直地埋管换热器分为:(1)垂直单U式;(2)垂直双U式;(3)套管型及多样套管型(蜘蛛状)换热器;(4)灌注桩和管桩换热器。

    1.地埋管地源热泵系统的设计特点和方法

    1.1对于地埋管系统,不仅要有足够埋管区域,还要有比较适合的岩土体特性。由于地埋管换热器中循环介质与大地岩土间的换热情况相当复杂,地下岩土的热物性对传热的能力影响又非常大,为此,《地源热泵系统工程技术规范》(以下简称《规范》)的强制性条文规定:“地源热泵系统方案设计前,应进行工程场地状况调查,并应对浅层地热能资源进行勘察”。因此,在地埋管换热系统设计前,应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察。并应根据工程勘察结果,对地埋管换热系统实施的可行性及经济性进行评估。方案设计时还应对若干年后岩土体的温度变化进行预测,根据预测结果确定应采用的系统方案。

    1.2空调冷、热负荷的计算。《规范》第4.3.2条明确规定,“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1年。计算周期内,地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡”。其中地源热泵系统最大释热量与建筑设计总冷负荷相对应,系统最大吸热量与建筑设计总热负荷相对应,其中

    Qe=∑〔Qo(1+1/EER)〕+∑Q1+∑Q2 (1)

    Qa=∑〔Qh(1-1/COP)〕+∑Q1-∑Q2 (2)

    式(1)、(2)中Qe为地源热泵系统最大释热量; Qo为建筑物空调分区冷负荷;EER为水源热泵机组制冷性能系数;Q1和Q2分别为输送过程得(失)热量和水泵释放热量,在实际工程设计中常忽略不计; Qa为地源热泵系统最大吸热量; Qh为建筑物空调分区热负荷;COP为水源热泵机组制热性能系数。

    1.3地埋管换热器的设计,其设计原则:对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时尽可能降低初投资及运行费用。由于地埋管换热器换热效果不仅受岩土体导热性能及地下水流动情况等地质条件的影响,同时建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管管材、地埋管形式及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。地下埋管换热器是地埋管地源热泵系统设计的核心内容,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。地埋管换热器的设计主要涉及以下几个方面：

    ①初步确定一种埋地换热器的埋置方式以及埋管的位置;

    ②管材的选择与确定;

    ③初步确定地下土壤的温度以及地下土壤的最高和最低温度;

    ④初步确定地下热泵机组的最高和最低进水温度;

    ⑤初步确定地下土壤与地下换热器之间的温差;

    ⑥初步计算管道和循环介质换热的热阻;初步计算管道和土壤换热的热阻;

    ⑦初步计算供热和制冷流程因子;

    ⑧初步计算埋地换热器的管道长度;

    ⑨对所有计算结果进行评估优化,进行调整;

    ⑩确定埋地换热器循环水泵和集分水器、排气设施等附件;

    1.4水源热泵机组以及末端设备的选择。应选用适宜地源热泵系统的水源热泵机组。国家现行标准5水源热泵机组6(GB/T19409-2003)中,给出的不同地源热泵系统及相应水源热泵机组正常工作的冷(热)源温度范围也是不同的(如表1所示)

    系统形式正常工作的冷热源温度范围 （制冷）正常工作的冷热源温度范围 （制热）

    地埋管热泵系统10~40-5~25

    设计时还应考虑在夏季连续制冷运行时地埋管区域岩土体温度的持续升高对水源热泵机组制冷性能系数的影响,同时还应考虑在冬季连续制热运行时地埋管区域岩土体温度的持续降低对水源热泵机组制热性能系数的影响。末端设备选择时应适合水源热泵机组供、回水温度的特点,保证地源热泵系统的应用效果,提高系统节能率。

    1.5地源热泵系统的优化设计。带辅助冷热源的混合式系统,由于可有效减少埋管数量,同时也可保证地埋管系统吸、释热量平衡,因此已成为地源热泵系统应用的主要形式。《规范》规定“在技术经济合理时,可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。”对混合式系统的优化模拟分析,应以寿命周期内费用最低为目标,对混合式系统运行能耗及投资情况进行模拟计算分析,优化配置辅助加热及散热设备,这也是前国际上广泛研究与分析的热点。

    2.地埋管地源热泵系统应用的问题

    2.1地埋管地源热泵系统的推广出现了一定程度的盲目性,许多项目在没有对当地资源状况进行充分评估的情况下就匆匆上马,造成了地源热泵系统工作不正常,反而不能发挥其节能效果。

    2.2目前许多工程的地埋管换热器设计都是由专业工程公司完成,而有部分专业公司仅仅只是根据设计负荷,按经验估算确定埋管数量及埋深,对动态负荷的影响缺乏分析,对长期运行效果没有预测,造成地埋管区域岩土体温度持续升高或降低。从而影响地埋管换热器的换热性能,降低地埋管换热系统的运行效率。因此正确设计室外地下换热器对于保证空调系统的效果和经济性十分重要。

    2.3地下土壤的热平衡问题:地埋管地源热泵热泵空调系统设计要注意热泵系统总吸热量与总释放量相平衡措施,如果地埋管区域岩土体全年吸、释热量不平衡,将导致地埋管区域岩土体温度的持续升高或降低,一方面影响地埋管换热器的换热性能,降低地埋管换热系统的运行效率;另一方面进入水源热泵机组的传热介质温度的提高或降低,都会使水源热泵机组性能系数降低,不仅影响地源热泵系统的供冷供热效果,也降低了地源热泵系统的整体节能性。地埋管地源热泵的热平衡问题并不是技术上的难题,完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行解决。目前土壤热平衡的解决方法大致有下几种:

    ⑴条件适合时适当放大埋管间距,并设置监测系统;

    ⑵加强运行管理,轮换土壤换热器分组回路使用;

    ⑶采用带有热回收技术的热泵机组有利于热平衡,且可以提供廉价的生活热水;

    ⑷可以采取辅助加热(或冷却)方式,把这种带有辅助加热(或冷却)的系统称为混合式地源热泵系统。对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区,最常用的方法是采用带有太阳能集热器辅助加热的太阳能)地源热泵系统。对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区,最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统。

    2.4土壤冻结对埋管换热器传热的影响:在北方寒冷地区,冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在0e以下,换热器周围含湿量的土壤可能冻结。水份冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸收同等数量的热量情况下,土壤降低的温度幅度小,水份越多,释放的潜热越多,温度降低幅度越小,在邻近换热器埋管的土壤温度越高。如果设计中不考虑土壤中水份冻结的影响,计算出的地下埋管周围的温度场偏低与实际情况偏差较大,水份越多,差别越大,因此设计中应考虑水份冻结的影响。目前有关岩土冻结和其计算方法方面的研究文献不多,但可以肯定土壤冻结对地下埋管换热是有利的。也就是说在长期连续运行时,如不考虑冻结的影响,换热器尺寸要比实际需要的偏大。

    2.5某些地源热源系统宜设计为分区域控制的方案:常规的中央空调系统在设计时,若不同区域同时有制冷与供热需求,则需同时运行冷热源设备,并且水系统一般设计成四管制。四管制水系统管道占据的空间多,一次性投资大,只在一些高档宾馆等场合得到应用。还有,当只有少数用户在使用空调时, 冷负荷或热负荷低,而主机和水泵必须运行,整个系统在低负荷下运行,效率较低。而地源热泵空调系统则完全可避免上述不足之处,即设计成分区域控制的方案。现在中小型地源热泵机组制冷量与制热量各种规格都有,结构形式也多种多样,只要负荷性质(主要指制冷或制热的时间需要)相同,即可划为一个区,每个区可采用一台或数台机组。各区域空调是否运行,是制冷还是制热,甚至设备检修,都互不影响。水系统无需采用四管制,并且操作方便,能进一步降低运行能耗和管理费用。一些设计人员往往习惯于按常规中央空调设计思路将地源热泵空调设计成冷热源集中控制的空调系统,采用这样的方案,空调系统EER和COP固然比传统空调系统高得多,而且不需锅炉房,节约了机房面积,体现了地源热泵的大部分优点,但没有充分挖掘出地源热泵的节能潜力和其它优点,仍不可避免地会出现常规中央空调系统中存在的缺点。

    分区域控制设计方案中,设备的装机容量可能会高于集中控制系统设备的装机容量,但运行费用一般不会比集中控制方案高,因为各区域机组根据需要而运行,没有浪费。

    分区域控制的主要缺点是安装在各区域的小型地源热泵机组负荷调节性能比不上集中式机组,尽管小型机组采用了涡旋式压缩机等高效设备,但机组在部分负荷工况下的能效比和性能系数没有得到进一步的提高。而业主选购设备讲究的是性价比,并不完全是节能一项指标。基于同样原因,因分区域控制方案的工程造价高于集中控制式方案的造价,可能这是目前这种设计方案还得不到普遍的采用主要原因之一。

    2.6地源热泵空调工程的设计需着重提高系统能效比和性能系数以及季节能效比,合适的设计方案不仅应使机组有较高的能效比和性能系数,主要的还应使整个系统具有较高的EER和COP值,使整个系统有较高的季节能效比。