地源熱泵相關常識
一、地源熱泵的概念
? ? ? ?地源熱泵是利用地球水所儲藏的太陽能資源作為冷、熱源，進行轉換的空調技術。
? ? ? ?地源熱泵可分為“水源”熱泵和“地源”熱泵。地源熱泵包括地下水熱泵、地表水（江、河、湖、海）熱泵、土壤源熱泵；
二、地源熱泵的原理
? ? ? ?地球表面淺層水源（一般在1000 米以內），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且水源的溫度一般都十分穩定。
? ? ? ?地源熱泵技術的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。
三、水源熱泵的優點
? ? ? ?水源熱泵與常規空調技術相比，有以下優點：
(一)、高效節能且環保的
? ? ? ?當今世界，環境污染和能源危機成為威脅人類生存的頭等大事。隨著人類生活水平的提高，中央空調的能耗占整個世界能源消耗的比例不斷增加，而中央空調的能耗中絕大部分是消耗在冷熱源上。因此，國內外廣大專業人士一直在努力尋求高效節能且環保的空調冷熱源，發展綠色建筑。
? ? ? ?對于綠色建筑應體現在以下幾個方面：
? ? ? ?1、建筑與自然的共生：即要求保持環境、利用環境、防御自然災害。保護生態系統并減少大氣污染物的排放，保持建筑周邊環境生態系統的平衡；充分利用太陽能、地熱能進行供暖、供熱、采光以及通風，充分考慮綠化配置，軟化人工建筑環境；考慮建筑物的朝向等。
? ? ? ?2、應用減輕環境負荷的建筑節能技術：即降低能耗、延長使用壽命、使用環保材料，注重能源的再利用、使用耐久性強的建筑材料及可循環再生材料的利用。
? ? ? ?3、循環再生型的建筑生涯：循環利用始終貫穿到整個建筑生涯。
? ? ? ?4、創造健康、舒適的室內環境：包括健康持久的生活環境，優良的空氣質量等。
? ? ? ?5、使建筑融入歷史與地域的人文環境：即繼承地方傳統的施工工藝，繼承和保護城市與地域的景觀特色，保持城市的恒久魅力和活力。
? ? ? ?水源熱泵系統是一種利用地下淺層的熱能源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等），通過輸入少量的高位能（如電能），將低溫位能向高溫位能轉移，以實現即可供熱又可制冷的高效節能的綠色空調系統。
? ? ? ?在建設綠色建筑的過程中，水源熱泵空調系統是一種廣泛應用的系統形式。
(二)、水源熱泵中央空調系統的優勢
? ? ? ?水源熱泵中央空調系統的優勢之一就是它屬于綠色建筑的構成要素。
? ? ? ?水源熱泵利用地下水一年四季溫度穩定的特點，冬季把地下水能作為熱泵供暖的熱源即把高于冬季大氣溫度的地下水能中的熱能取出來供給室內采暖，夏季把地下水能作為空調的冷源，即把市內的熱量取出來釋放到低于夏季大氣溫度的地下水中。通常水源熱泵消耗1Kw的電量，用戶可以得到5Kw以上的熱量或冷量，從而達到節能的目的，而且在系統運行過程中，不產生任何有害物質，實現了環保的功效。該系統由如下特點：
? ? ? ?1、資源可再生利用
? ? ? ?水源熱泵技術是利用了地球表面淺層地熱資源（通常深度小于1000米）作為冷熱源進行能量轉換的供暖空調系統。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），也是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。且不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。
? ? ? ?這是儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，也是清潔能源。與地面上環境空氣相比，地面30m以下地下水溫度全年基本穩定且略低于年平均氣溫，可以分別在夏冬季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度。所以從熱力學原理上講，地下水是一種比大氣更好的熱泵系統的冷熱源。而且水源熱泵系統不會把熱量、水蒸氣及細菌等排入大氣環境，符合當前可持續發展的戰略要求。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。
? ? ? ?2、高效節能
? ? ? ?通常水源熱泵消耗1Kw的能量，之所以用戶可以得到4Kw以上的熱量或冷量，是因為這多出來的能量就是來自地下水的能源。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定。也保證了系統的高效性和經濟性。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節約用戶30%~60%，而據我公司在山東地區工程最近三年的運行經驗，水源熱泵系統在夏冬季的運行費用均比傳統中央空調和城市熱網供冷或暖節省運行費用40%~50%。
? ? ? ?水源熱泵是目前空調系統中能效比(COP值)最高的制冷、制熱方式，理論計算可達到7，實際運行為4～6。
? ? ? ?水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度為18～35℃，水體溫度比環境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，從而提高機組運行效率。水源熱泵消耗1kW.h的電量，用戶可以得到4.3～5.0Kw.h的熱量或5.4～6.2Kw.h的冷量。與空氣源熱泵相比，其運行效率要高出20～60％，其運行費用為普通中央空調系統的50%~60%。
? ? ? ?3.、綠色環保
? ? ? ?? 水源熱泵系統利用地球表面淺層地熱資源，無須燃燒燃料，避免了排煙、排污等污染；
? ? ? ?? 省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，無燃燒過程節能環保，無任何污染。
? ? ? ?? 地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，約減少40%以上；
? ? ? ?? 與電供暖相比，約減少70%以上，如果結合其他節能措施節能會更明顯。
? ? ? ?? 水源熱泵機組供熱、供冷時省去了冷卻塔和其他室外設備，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。沒有中央空調集中占地問題，節省了空間和地皮，為建設單位帶來額外利潤，產生附加經濟效益，并改善了建筑物的外部形象。
? ? ? ?? 雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量。
? ? ? ?? 由于該裝置的運行沒有任何污染，所以可以建造在居民區內，可以安裝在綠地、停車場下，正因為沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，所以不需要堆放燃料廢物的場地且不用遠距離輸送熱量。
? ? ? ?所以，水源熱泵機組的運行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產生城市熱島效應的特性，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。
? ? ? ?4、一機多用，應用范圍廣
? ? ? ?水源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。其總投資額僅為傳統空調系統的60%，并且安裝容易，安裝工作量比傳統空調系統少，安裝工期短，更改安裝也容易。
水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅、住宅小區的采暖、供冷。
? ? ? ?5、運行穩定可靠，維護方便
? ? ? ?水體的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性；采用全電腦控制，自動程度高。由于系統簡單、機組部件少，運行穩定，因此維護費用低，使用壽命長。
? ? ? ?6、自動化程度高，節水省地
? ? ??機組與各系統均可實現自動化控制，可根據室外溫度變化及室內溫度要求自動控制機組的啟停，達到最佳節能效果，同時節省了人力物力。也可有操作人員自行設定開關機時間和溫度，機組便可進入無人管理模式，自行運轉工作。
? ? ? ?以地表水為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染；省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規空調系統，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。
四、打水井
? ? ? ?設備類型：螺桿式水源熱泵機組
? ? ? ?空調系統機房附屬設備選用空調水泵、全自動水處理器、軟水箱、高位膨脹水箱、旋流除砂器、控制柜等設備。
? ? ? ?1、空調系統運行方式
? ? ? ?夏季和冬季都采用風機盤管的形式，夏季提供7~12度冷水，冬季提供45度熱水，通過末端循環達到對室內溫度調節的目的。
? ? ? ?2、室外水源打井系統計算
? ? ? ?螺桿式水源熱泵機組水井數量的確定受到地質條件、水位、上水量及滲水能力的影響，各個地區的水紋資源互不相同，在實際鉆井過程中，積累的經驗數值有極強的參考價值。按地質條件及水紋特點，參照實際的工程經驗，結合本地區的實際情況，采用水源熱泵的方式，具體井數確定計算如下：根據機組良好運行需要的流量及單井的上水量，確定上水井的數量，計算式按以下：
? ? ? ?N=Q/q
? ? ? ?其中N——上水井數量，口
? ? ? ?Q——熱泵機組所需井水總流量，m3/h
? ? ? ?q——單井上水量m3/h
? ? ? ?根據甲方提供的單井上水量，按每口100米深的井上水量為40 m3/h計算，
? ? ? ?為滿足井水回灌的要求，必須鉆一定數量的回水井，回水井的數量按上水井數量的1.5倍確定，根據實際的工程要求，具體按如下：
? ? ? ?N′=1.5N
? ? ? ?N——上水井數量，口
? ? ? ?N′——回水井數量，口
? ? ? ?大多數工程采用集中打井的形式，為防止井水回灌后產生地下短路，因換熱不均勻引起井水上水溫度逐漸變低，節能效果差，影響設備正常運行，因此，回水井與上水井間距間隔越大越好。實際工程中一般井間距在50米以外，考慮到本工程打井數量及工程的占地面積，確定打井間距為50米，以保證良好的節能和設備的長期運轉。
? ? ? ?因井水的取水量在不用地區受地質環境影響而不同，故在鉆井時應提前了解當地地質情況，確定鉆井方案。方案確定后，應由專業鉆井公司實施，一般鉆井直徑為50cm和30cm兩種，井壁應采用鋼制管材，確保井壁的承壓及使用壽命。鉆井成功后，應及時洗井至水清為宜。
? ? ? ?回水井的數量為上水井數量的1.5倍。
五、地埋管系統打井介紹說明
? ? ? ?1、土壤源熱泵空調系統的組成
? ? ? ?主要由地源熱泵空調機組、土壤源熱泵換熱器、循環水泵、末端裝置、管路系統及相關附件組成。
? ? ? ?2、土壤源熱泵空調系統 土壤源熱泵空調系統，就是在地下埋設管道作為換熱器，管道與熱泵機組連接形成閉式環路，管道中有液體流動通過循環將熱泵機組的凝結熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機組向建筑物供熱（供熱工況）。土壤源熱泵空調系統設計的主要部分為土壤源熱泵換熱器的設計，故下文就以換熱器的設計進行展開。
? ? ? ?3、豎直埋管換熱器型式及設計要點
? ? ? ?⑴、豎直埋管換熱器型式
? ? ? ?土壤源熱泵換熱器有多種型式，按埋管方式分水平埋管、豎直埋管、螺旋埋管等。這三種埋管型式各有自身的特點和應用環境。在國內采用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。地下熱交換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，并且長度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。結合上文，即常采用U型管并聯同程的熱交換器型式。最常用的豎直埋管換熱器型式就是由垂直埋入地下的U型管并聯同程的熱交換器型式。
? ? ? ?⑵、豎直埋管深度
? ? ? ?豎直埋管可深可淺，須根據當地地質條件而定，如20m、30m……直到200m以下。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模，熱傳導效果等。例如天津地區地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節約用地。但據相關研究表明：U型管的換熱主要是在進水支管內完成的，隨著鉆孔深度的增加，出水支管引起的溫升降低，支管間的熱短路加劇。因此在滿足工作功率的前提下，縮短鉆孔深度不但能降低成本，還可以減少熱短路的影響。因此建議鉆孔深度不超過150米為宜。
? ? ? ?⑶、豎直埋管材料
? ? ? ?一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩定并且耐腐蝕。常規空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，而塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優點。由于需要埋入地下的管道的數量較多，故應該優先考慮使用價格較低的管材。所以土壤源熱泵系統中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統
? ? ? ?⑷、確定管徑
? ? ? ?在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：
? ? ? ?①、管道要大到足夠保持最小輸送功率；
? ? ? ?②、管道要小到足夠使管道內保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。
? ? ? ?顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下，對更大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下。
? ? ? ?⑸、豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料
? ? ? ?豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，某些地區地表土壤層厚，為了鉆孔、下管方便多采用大孔徑?；靥畈牧峡梢赃x用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工?；靥钌呈蛩槭瘬Q熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。
? ? ? ?4、豎直埋管換熱器系統的設計方法
? ? ? ?計算冷，熱負荷
? ? ? ?①、建筑物冷熱負荷的計算
? ? ? ?建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，在此不再贅述。
? ? ? ?②、冬夏季地下換熱量計算
? ? ? ?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?？梢杂上率霰砀駞涤嬎悖?/span>
土層
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石土層
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石層
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50w/m
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60w/m
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80w/m
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? ? ? ?5、豎直埋管換熱器的設計
? ? ? ?⑴、選擇熱交換器形式 地埋管地源熱泵系統的熱交換器形式有水平（臥式）或垂直（立式）兩種形式，具體選擇那種形式應根據實際現場條件如場地大小、地質條件等綜合考慮。
? ? ? ?在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。
? ? ? ?盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，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。
? ? ? ?根據埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：①U型管②套管型③單管型。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質條件的限制。U型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環路有3種，其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。相關研究表明：U型管的換熱主要是在進水支管內完成的，隨著鉆孔深度的增加，出水支管引起的溫升降低，支管間的熱短路加劇。因此在滿足工作功率的前提下，縮短鉆孔深度不但能降低成本，還可以減少熱短路的影響。
? ? ? ?⑵、豎直埋管總長度、井間距以及豎直埋管布置形式
? ? ? ?主要是以所選擇機組的總負荷，依據地質特性參考每米深度的熱含量來確定總的打井深度（管長）。結合工程場地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據測試結果分析，U型豎直埋管間距以4.5—6m為宜。關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m。
? ? ? ?⑶、確定豎直埋管水流速度
? ? ? ?豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應為紊流狀態，流速太快會增加循環水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。
? ? ? ?⑷、計算管道壓力損失
? ? ? ?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?？刹捎卯斄块L度法，將局部阻力件轉換成當量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。
? ? ? ?⑸、確定水泵型號
? ? ? ?根據上述計算最不利環路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據系統總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數。
? ? ? ?6、地埋系統綜述
? ? ? ?1、確定地源系統方案，并對打井、埋管等進行精確計算，確保冬夏負荷平衡, 使機組在最佳工況下運行。
? ? ? ?2、永遠不要拿用戶做試驗
? ? ? ?3、地源負荷設計時，可以按總負荷的70％選取，前提是先進行土壤熱交換率測 試，同時保留適當余量，同時要能保證90％的運行時間；
? ? ? ?4、地下系統經過幾年運行后，土壤周邊溫度回有所上升，必須加以考慮。正常情況下每10年溫度提高1.5℃。
? ? ? ?5、室外井口必須事先設立相對于建筑物的坐標點，施工完成后畫成地圖，以便日后檢修。
? ? ? ?6、室外埋管必須是同程式設計。垂直埋管管徑為DN32，每組最多16對，合并總管最大為。DN63。
? ? ? ?7、垂直管埋好后，井孔必須填滿?？梢杂密浌懿宓骄?，灌入細沙、泥土和適量水泥的混合物。沙的比例不要太高；
? ? ? ?8、垂直埋管時，同一井內U型管間距不必過于強調，＞20mm即可。而井間距離至少在4m以上，一般設5～6m；
? ? ? ?9、垂直井在下管前，管內注滿水，用100kg重物，底部焊一鋼制叉形物，騎在U型管底部，可以加快下管速度；
? ? ? ?10、管道埋設前必須試壓，埋好后第二次試壓，與水平管連接后第三次試壓，與集分水器連接后第四次試壓，與整個系統連接后，第五次試壓；
? ? ? ?11、垂直埋管地源負荷：40～50w/m井深，雙U形管一般能提高6％的換熱效率；池塘或河道埋管：40w/m管材；靜止狀態時制熱1kw需15 m2水面面積，單冷1kw約需7.5m2水面面積；
? ? ? ?12、防凍液可以用甲醇和乙醇混和物，先兌水后用防爆泵加入系統。 此方案與吸收地下水的不同點在于，水源熱泵是吸收地下水的能量，而地埋管是吸收地下土壤的能量，同樣都可以達到制熱的效果。
