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水源热泵3
三、地源热泵系统的设计
（一）地源热泵系统设计基础资料
在具体进行地源热泵系统设计工作之前，必须首先作好基础资料的收集与可行性论证工作。基础资料除了与普通中央空调系统相同的要求之外对于地源系统部分还需要以下一些内容：
总平面布置和地表情况，包括：①项目范围的大小和形状。②项目周围现存和规划建筑。③道路，绿地，人工景观和附属设施的情况。④现有的水井，废水，中水情况。
地质，水文和地表水的调查报告，包括：①地表水应用调查报告。②地下水系统实验井的调查报告。实验井是为了解决地下水资源的具体情况和地质情况而设定的。地下水质条件包括：地下水温，单位时间单口井的出水量，地下水的化学成分（含钙，镁，铁，锰，硫酸根，氯根等离子），地下水酸碱度，含水层的深度，当地地质情况（是沙土还是黏土，粘土，沙土的透水性比较好，有利于取水和回灌）。
垂直地下热交换器系统的试验孔调查报告。试验孔能为地下热交换器的设计提供必要依据。包括：当地恒温层的深度，大地的温度，地下土质的组成成分，土质的导热性能及土质强度。
水平地下热交换器试验坑的调查报告。
监视井。
这些资料为地下闭式环路地源热泵，地下水开式地源热泵或者地表水地源热泵系统的设提供基础数据。以及内容不一定全作，视具体情况而定。
（二）地源热泵系统冷（热）负荷计算于热泵机组选择
1、地源热泵系统冷（热）负荷计算
房间冷（热），湿负荷湿是确定热泵设备容量的基本依据。在某一时刻为保持房间恒温恒湿，需向房间提供的冷量称为冷负荷；相反，为补偿房间的失热而需向房间提供的热量称为热负荷；为维持房间相对湿度，需由房间除去或增加的湿量称为湿负荷
房间的冷负荷通常来源于以下及个方面：
①由于太阳辐射和室外温差经维护结构传入的热量。②人体，照明设备，各种工艺设备及电气设备散入的热量。③为满足房间卫生，正压和最小新风要求的新风带入热量。
房间的热负荷通常包括一下几方面：①维护结构基本耗热量。②冷风渗透耗热量。③冷风侵入耗热量。④空调新风耗热量。得湿量主要湿人体散湿量和工艺过程和工艺设备散出得湿量。
地源热泵系统工程得冷负荷计算方法与常规空调系统相同，热负荷计算方法与采暖系统大致相同，但需考虑新风耗热量。地源热泵系统末端所需风量得确定方法与常规空调系统相同。地源热泵系统得冷（热）湿负荷同样与室外空气参数有关，并以其作为计算依据。地源热泵系统确定室内外空气参数得原则方法与普通空调系统相同。
2、热泵机组选择
根据以上计算得冷(热)负荷，依照不同地区，不同用户得具体情况，确定采暖空调对象建筑物的同时使用系数。对于住宅楼，当住户<100户时，该系数为0.7；当户数为100～150户时，为0.65~0.7;当户数为150～200户时，为0.6。参考热泵设备厂家得产品说明书和技术手册，选择适合制冷和采暖要求的热泵机组。选型时一定要仔细阅读厂家的产品说明书，核对机组额定工况，非额定工况是否与实际工程的工况一致，供热量，制冷量是否满足要求。
此外，对于热泵机组型式的选择，也要综合考虑。
如螺杆式制冷压缩机，压力，容量特性稳定，对变工况运行具有较好的适应性，对气体带液运行不敏感；运转时力矩变化小，动力平衡性好，易损件少，振动小，运行寿命长，可靠性高；滑阀可实现无级能量调节，喷油运行，排气温度低；操作简单，易实现自动化。因此，正逐渐开始在一定的冷量范围内成为地源热泵的主要型式。
（三）地源系统的设计
一）地源系统取热（放热）量计算
• 地源系统取热量和放热量与系统冷（热）负荷和热泵机组的输入功率有关。
夏季放热量可用如下公式进行估计
QC=QL+N或QC=QL(1+1/e)
式中 QC———— 夏季机组向地下排热量，W;
QL———— 夏季地源热泵系统冷负荷，W;
N———— 热泵机组制冷时的输入功率，W;
e———— 设备制冷的性能系数。
冬季取热量可用如下公式进行估计
QE=QR-N或QE=QR(1-1/eh)
式中
QE_____ 冬季机组从地下获取的热量W;QR_____ 冬季地源热泵系统热负荷，W;N______ 热泵机组制热时的输入功率，W;eh______ 设备供热的性能系数。
二）地源系统方式选择与设计
在全面了解用户具体情况，完成了负荷计算，初步的机组选择以及部分主要参数确定的基础上，应该对不同的地源系统方式以及整个方案进行详细的可行性论证，以后确定是一开式的地下水源方式，地表水源方式还是以某种埋管方式的闭式系统作为整个地源热泵系统的热源。以下针对目前国内的主要应用方式和未来最有希望的地源方式分别阐述其设计的主要内容。
1、开式地下水源方式的主要参数或环节设计
地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中水体。地下水分布广泛，水质比地表水好，水温随气候变化比地表水小，是地源热泵中央空调可以利用的较为理想的水源。地下水按理埋藏条件分为上层滞水，潜水，层间水，裂缝水和溶洞水5类。开式地源热泵系统主要利用潜水和浅层层间水。
水源系统的水量，水温，水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。
应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。水源的水质，应适宜于系统机组，管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源供水系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行，这就必须很好地解决回灌问题。
（1）地下水的水量确定。
地下水的水量是影响地下水源热泵系统制冷，供热效果的一项关键因素，充足的水源水量，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热和制冷量将随之减少，达不到用户理想的运行状态。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。 在冬季和夏季地下水的需要量实际上与地源热泵本身的性能，地下水温度，建筑物的冷热负荷及换热器的形式，换热能力等因素有关。
夏季可采用以下公式进行估算 MC=QC/(C⊿TC)
式中
QC____ 夏季机组向地下排热量，KW C_____ 水的比热，KJ/Kg
MC____夏季所需地下水的水流量，Kg/s; ⊿Tc____ 夏季冷凝器出水，进水温度差，即（TCO-TCE）, ℃
TCO_____夏季冷凝器出水温度，℃
TCE_____夏季冷凝器出水温度（地下水井的出水温度），℃;
冬季可采用以下公式进行估计
ME=QE/( C⊿TE)
• 式中 QE____ 冬季机组从地下获取的热量，KW;
ME____ 冬季所需地下水的水流量，KG/s;
C____ 水的比热，KJ/Kg℃;
⊿TE_____冬季蒸发器出水、进水温度差，即（TEE-TEO）, ℃;
TEE____ 冬季蒸发器进水温度（水井的出水温度），℃;
TEO ————冬季蒸发器出水温度，℃。
对某一具体工程，由上述两式计算出夏季和冬季两种工况所需的地下水的水流量MC和ME会有所不同，应根据地下水温，冬季运行温差，热泵机组运行费用以及水文地质状况等因素进行综合考虑，以最终确定地下水的水流量。
（2）地下水的水温确定。
所谓水源的水温应适度就是适合机组运行工况的要求。例如，在制热运行工况时，水源水温应该为12－22℃；在制冷运行工况时，水源水温应该为18－30℃;。因此，地下水温度为12－22℃左右时，地下水源热泵机组制冷状态和制热状态均处于最佳工况点。如天津地区地下水，在深200－400m范围内，水温通常在16－22℃范围，对夏季空调和冬季供暖都十分有利。但是如果处在地热异常区，地下水的温度会偏高，冬季使用时尚可以采用小流量，大温差的措施，但在夏季使用时，地下水源的优势不一定明显，这时可以采用冷却塔的方式
地下水水温随自然地理环境，地质条件及循环深度不同二变化。
近地表处为变温带，变温带之下的一定深度温恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不一样，水温范围10－22℃。恒温带向下，地下水温随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为2.5℃/100m,大于这一数值为地热异常。在恒温带以下，
地下水温变化规律可按下式计算
• TH=TB+(H-Hd)Tg
式中 TH____ 在Ｈ深处地下水温度，℃
TB____ 所在地区的年平均气温，℃
Tg____ 低温梯度（一般0.02℃/m左右），℃/m
H_____ 欲测定地下水水温的深度，
Hd____ 所在地区恒温带的深度，m.
如果冬季地下水温较高或夏季地下水温较低，为了节约地下水资源，可在地下水侧采用大温差，小流量的运行方式，也可以采用与机组回水混合的运行方式，从而尽量满足机组要求的水温。混合装置可以是容积式混水器，也可以是喷射式混水器。
（3） 地下水的水质
自然界中的水处于无休止循环运动之中，不但与大气，土壤和岩石等环境介质接触，互作用，使其具用复杂的化学成分，化学性质和物理性质。应用地下水源热泵时，处应关心水源水量，温度以外，还应关注水的化学成分，混浊度，硬度，矿化度和腐蚀性等因素。地下水源热泵对地下水水质的基本要求时澄清，水质稳定，不腐蚀，不滋生微生物或生物，不结垢等。但是，目前对地下水水源热泵所用水源的水质尚无专门的规定。表7 –2 为冷却水水质标准的有关规定，可作为地源热泵确定水质状况的参考。
表7-2 冷却水水质有关规定
名称 允许含量值
硬度含量≦200㎎/ L
混浊度 ≦10㎎/L
氯离子(Cl-)
总矿化度 <3000㎎/L
总铁离子(Fe2+,Fe3+) ≦0.5㎎/L
硬度 <200㎎/L
锰(Mn) ≦0.5㎎/L
PH值 6.8-9.2
硫化氢(H2S) ≦0.5㎎/L
硫酸根(SO42-) ≦200㎎/L
1）含砂量与混浊度
有些水源含有泥砂，有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀造成磨损。含砂量和混浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源热泵系统的水源，含砂量应<1/20万，混浊度<20mg/L.如果水源热泵系统中装有办事换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应<0.5mm。
2）水的化学成分及其化学性质
自然界水中溶有不同离子，分子，化合物和气体，使得水具有酸碱度，硬度，矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。
3）酸碱度
水的PH值小于7时呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源PH值应为6.5-8.5。
4）硬度
水中Ca2+,Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应<200mg/L。
5）矿化度
单位容积水中所含各种离子，分子，化合物的总量称为矿化度。用于水源热泵系统的水源水的矿化度应<3g/L。
6）腐蚀性
水中Cl-。游离CO2等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时，对腐蚀性，硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或钛板换热器。如果地下水源的水质不适合水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。在水源系统中经常采用的水处理技术有除砂器与沉淀池，静水过滤器，电子水处理仪，板式换热器等几种。当水源水的矿化度小于350mg/L时，水源系统可以不加换热器，采用直供连接。当水源水的矿化度>500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。
7）除铁设备
地下水对设备的有害成分中危害最大的是水中的铁。我国地下水的含铁量，多数在10mg/L以下，少数超过20mg/L,但一般不超过30mg/L.地下水中的铁常以二价铁形式存在，由于二价铁在水中的溶解度较大，所以刚从含水层抽出来的含铁地下水仍然清澈透明，但与空气接触后，水中二价铁被氧化，转化为絮状的三价铁氢氧化物，沉淀阻塞管道，影响正常工作。因此，对含铁量高的地区使用除铁装置进行除铁，有利与地源热泵更加广泛的使用。
（4）地下水的回灌，
所谓地下水回灌，就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。这样做可以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡；可以回灌储能，提供冷热源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水层水头压力，防止地面沉降。所以，为保护地下水源，确保水源热泵系统长期可靠运行，水源热泵系统工程中一般应采取回灌措施。
为了降低深井投资并节省水泵运行能耗，应尽可能减少深井回灌回路循环水量，为此就需要尽量加大此回路的供回水温差。
1）回灌水的水质。
对于回灌水的水质要求是好于或等于原地下水质，回灌后不会引起区域性地下水水质污染。实际上，水源水经过热泵机组后。只是交换了热量，水质几乎未发生变化，回灌不会引起地下水污染。
2）回灌类型。
根据工程场地的实际情况，可采用地面渗入补给，诱导补给和注入补给。注入式回灌一般利用管井进行，常采用(自流)，负压（真空）和加压（正压）回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好，井中有水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深（静水位麦深在10m以下），含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高。渗水性差的地层。对于抽灌两用井，为防止井间互相干扰，应控制合理井距。
3）回灌量。
回灌量大小于水文地质条件，成井工艺，回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般来说，出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大。在砾卵石含水层中，单位回灌量一般是单位出水量的80％以上；在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50％－70％；在细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30％－50％。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。
4）回扬。
为预防和处理管井阻塞，主要采用回扬的方法。回扬即在回灌井中开泵抽排水中阻塞物。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。试验证实，在几次回灌之间进行回扬以连续回灌不进行回扬相比，前者能恢复回灌水位，保证回灌井正常工作。
5）单井回灌技术。
从原理上讲，其与多井自然回灌有所不同。单井抽灌在地下局部形成抽灌的平衡和循环，其原理如图7－7所示，深井被人为的分隔为上部的回灌去和下部的抽水区两部分.当系统运行时，抽水区的水通过潜水泵提升到井口换热器，与热泵机组进行换热后，通过回水井回到井中。抽水区的水被抽吸时，抽水区局部形成漏斗，回灌的回灌水在水头压力的驱动下，从井的四周往抽水区渗透，因此单井抽灌兼具真空及压力回灌的优点，在此过程中完成回灌水与土壤的热交换，此时回灌水所经过的土壤就成为一个开放式的换热器。
单井抽灌变多井间的小水头差为单井的高水头差，因此单井抽灌比多井更易解决水的回灌问题，同时还有占地面积小的优点。在实际应用中，单井回灌技术一般适用于供热制冷负荷较小的情况。
2、闭式土壤垂直埋地换热器系统的设计.
（1）垂直埋地换热器包括以下几部分：
1）U型管，常用管道材料是高密度聚乙烯和聚丁稀管道材料。这种管有专门厂家制造，并经过大压测试。对于地下换热器，不推荐使用PVC 管。
2）流体可以是水或含有防冻剂的水。
3）浆或回填物，用来加大与岩土的传热，以及保护地下水不受污染。
4）岩土。
（2）设计的目标。
进行埋地换热器系统安装设计时应尽量以最小代价满足两个目标
1）岩土和换热管之间最佳热接触。
2）保护地下水不受污染。
污染源来自于地表水（包括腐烂物，除草剂或其他材料）或含水层间的流动。达到这两个目标，通常采用最小的可行性孔洞直径。小直径井孔费用少，安装快，传热好，减少了接触热阻和地下水污染。
（3）埋地换热器的设计。
首先要确定整个换热器的尺寸。其中井深、井孔直径和环路是3个关键因素。计算埋管长度时，必须知道土壤温度，含水量，导热系数，管道直径，热阻，流量等或经过实际测试得到的不同地质条件下不同管径的单位长换热量。井孔数量与井深成反比，单个井孔的深度由钻井费用决定。为节约初投资，确定单个井孔深度后，就可反算出井孔数量。
根据地源热泵系统的取热，放热负荷，由有关公式可以计算出地源热泵系统的流量。
为了保持合理的压降，根据经济流速可确定埋管的直径。埋管直径直接决定井孔直径。小直径井孔费用小，其优点是：①井孔排出的泥沙少，这意味着以更小的能耗、处理费用及回填物费用的相应降低来更好地防止地下水受污染。②传热性能得到改善，因为大部分回填材料的导热系数都低于岩石。③相应增大了井孔的间隔。其缺点是用降低管径来降低孔径可能导致高的压降和高的循环泵运行费用。
并不是埋管直径的越大越好，例如使用3.2cm而不是1.9cm的埋管，可以减少埋深10%,但是要求更大的井径，增加了能耗，处理费，回填物费用等，同时增大了防止地下水污染的难度，为保持井孔间隔还会增大占地面积。所以，在设计一个埋管换热器系统时，必须权衡个方面的得失，确定一个相对优化的埋地换热器系统。
埋地换热器地源系统的环路不是串联就是并联。
串联环路就是仅有一个流程，而并联环路有两个或两个以上流程。串联环路的最大优点是：①需要较大的直径管道，管道的线性长度有较高的热性能。②系统内的废气和废渣较易排除。缺点是：①管径较大，流量较大，需要的防冻剂量也大。②由于管道过长，容易引起水力失调。影响系统的能力。并联环路的优点是：①管径较小。②费用较低。③易于系统的水力平衡。缺点是：①系统中的空气和废渣不易排出。②难于保证各个分支环路的流量平衡。
一个埋管换热器系统通常由若干个环路组成，各个环路之间可以是并联连接，也可以是串联连接，或串联并联混合连接；每个环路通常也由若干个埋管换热器组成，随着埋管换热器数量的增加，环路的个数也在增加，传统的设计采用同程式的分支集水管。近来，许多设计师更多使用闭环集水器，再将个分支集水管与总集水管连接。总集水管直径为15cm或更大。总集水管与地源热泵机相连。
由于埋管换热器式密闭循环系统，利用的是大地土壤进行换热，不是直接利用地下水换热，埋管换热器内充满了水或由防冻剂的水，这些水可以是预先处理的或在室外管路的地上部分安装一套水处理设备和除污器，以防止腐蚀，阻塞地源热泵设备。
应用实例
天津某办公室地下水地源热泵工程
该工程为一办公楼，分为两期，一期为1.2万㎡，二期为1.6万㎡. 一期工程已运行近一年，二期工程仍在建设中。
采用地下水源热泵完成冬季供暖和夏季空调。选用WRHH3006机组2台，单台机组制冷量和供热量为877.4Kw,可满足总建造面积2.8万㎡的要求。冬夏季节供热，制冷的转换是通过水侧阀门来实现的。
地下水源热泵冬季供热，夏季制冷阀门转换示意图夏季制冷 ；(b)冬季供热钻了3口井，井距47m,井深400m,井口水温25℃,出水量93t/h,单位出水量5.1t/h.m.一期工程已运行一年多，热泵机组连续运行，性能比较稳定。
冬季，热水供回水温度为42/37℃.由于采用了大温差，冬季地下水温将大14℃，地下水流量42t/h 就可满足建造物供暖的要求；夏季地下水62.5t/h,灌采比43％，较小的流量运行减轻了回灌井的压力。该工程目前可以做到完全回灌，取得了既节能又节约水的效果。图7－8为地下水地源热泵冬季供热，夏季制冷阀门转换示意图。
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