下载文档原格式
某工程地埋管换热系统若干问题分析吕亮上海市地矿工程勘察院摘 要： 介绍了地源热泵系统的技术原理， 其在节能环保方面具有不可替代的优势。
分析了地源热泵行业存在的 一些问题和实际使用的效果。
结合实际工程案例介绍了地源热泵空调系统地埋管设计与施工比较常见的问题， 并 结合现场安装经验对这些问题做出分析。
关键词： 地源热泵空调系统 地埋管 设计和施工Analysis of GroundSource Heat Pump SystemLV LiangShanghai Institute of Geological Engineering ExplorationAbstract: This paper introduces the technical principle of ground source heat pump system,which has an irreplaceable advantage in energy saving and environmental protection.The paper analyzes some problems and actual effect of GSHP bined with practical engineering case,this paper introduces some common problems of ground source heat pump pipe design and construction,combined with the experience of field installation,analysis of these problems.Keywords: groundsource heat pump,ground heat exchanger,design and construction收稿日期：2017521 作者简介： 吕亮 （1989~）， 男， 硕士， 中级工程师； 上海市闸北区灵石路 930号地质大厦507室 （200072）；Email:lv3675@ 0 引言地源热泵空调系统是利用地下浅层地热能资源 作为冷热源的空调换热系统， 它是一种通过输入少量 的电能， 实现从浅层地能 （土壤热能、 地下水中的低位 热能或地表水中的低位热能） 向高位热能转移的热泵 空调系统。
地埋管地源热泵系统常见问题及解决措施─—整理自徐伟主编《中国地源热泵发展研究报告（2008）》目前,地埋管地源热泵系统的工程应用中存在的问题是在现场测试、设计方法、施工质量控制与检测等方面存在一些问题。
以下就对这三方面的问题及对应解决措施进行分析。
一、现场测试1、存在问题地埋管地源热泵系统的现场测试存在的问题主要体现在四个方面：（1）如果按照每延米换热量进行系统设计，测试过程应该模拟土壤源热泵系统的哪一种工况，单独模拟一种工况是否具有足够的代表性；（2）如果按照每延米换热量进行系统设计，测试孔的孔数应该如何确定；（3）在某一特定工况下测试所得的每延米换热量的数据是否需要做相应的修正以用来作为系统设计的依据，如果需要修正又该如何修正；（4）实测过程测试仪器的制热及制冷功率、地埋管换热器内的水流速度该如何确定。
2、解决措施在某一特定工况及气候条件下测试得出的每延米换热量的值，若没有科学合理的方法被修正为设计值，也就没有达到现场测试为力求设计精确性的本来目的，这样的测试是没有必要的。
通过分析现场测试数据计算出的应是某一相对固定的设计参数，这一参数应不受外界环境因素及系统运行工况的影响或影响较小，否则即使某一参数是通过分析实测数据计算所得也必须经过修正。
实测得到的每延米换热量不能够直接用于换热器系统的设计，而应首先做科学合理的修正，因此，获取的现场测试数据应被用于计算不受外界环境因素及系统运行工况影响或影响较小的参数，这也就是岩土的热物理参数，包括岩土的导热系数、比热容以及岩土的密度等。
自2009年6月1日起实行的《地源热泵系统工程技术规范》（GB50336－2005）局部修订的条文（以下简称规范），重点增加了岩土热响应的具体试验方法及相关内容的规定，并在此基础上对相关条文进行了修订，以正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用，如：当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在3000～5000㎡时，宜进行岩土热响应试验；当应用面积大于或等于5000㎡时，就进行岩土热响应试验等等。
地源热泵地下管群换热器设计施工问题日期:2005-4-28 23:00:34 来源:原创查看:[大中小] 作者：未知热度： 1787[ 摘要 ]阐述地源热泵地下管群换热器的常用型式、实验装置及其设计施工方法，并对建设造价和运行情况作了简单介绍。
[ 关键词 ] 地源热泵管群1 概述地源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋入地下，与大地进行冷热交换。
由于地源热泵具有可持续发展性，国内外近年来正在加强对它的系统研究。
地源热泵原理如图 1 所示，埋入地下钻孔中的换热管一进一回形成回路与大地进行换热。
夏热冬冷地区地温平均温度在 15-20 ℃左右，通常冷凝器的夏季出水温度在 35- 40 ℃之间，与岩土换热温差可达 20-25 ℃。
有利于提高制冷系数，而且不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境，造成对环境的损害。
冬季运行时，冷凝器作为蒸发器，进行地下换热后蒸发器出水温度一般均高于室外气温，可显著提高供系数，不存在空气源热泵随气温下降供热系数显著减少及除霜等问题。
地源热泵在于夏季利用冬季蓄存的冷量供冷同时蓄存热量，以备冬用 ; 冬季利用夏季蓄存的热量供热，同时蓄存冷量，以备夏用。
夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相同，冷暖负荷基本相当，可用同一地下埋管换热器实现建筑的冷暖联供，实属一种节能又保护环境的绿色空调。
笔者结合国家自然科学基金课题，在地下单管换热器的实验基础上，建设一个 8kw 地源热泵的地下埋管管群换热器，目的在于研究地下岩土换热的全年动态特性，为地源热泵的设计与运行提供理论依据和可靠的基础数据。
本文仅对地下管群换热器的设计及施工问题作一讨论。
2 埋管形式的确定换热器埋管形式一般有两种形式，即竖埋管和横埋管由于横埋管占地面积较大，且换热指标小于竖埋管，因此，在实验中，我们以竖埋管研究为主。
竖埋管一般可分为 U 型管和套管型两种。
其结构形式见图 2 。
在前期的实验中，我们已经得到结果，套管型换热器热能力大于 U 型管换热器，因此，在管群实验中，我们以竖直套管型换热器作为主要研究对象。
1、根据工程现场的岩土热物性测试数据和设计院给出的机组换热量数据，从而可以
确定出地源热泵机组地埋井数量，从理论上看是没有什么问题的，但根据相关工程施工经验，并了解了正在使用的地源热泵项目地埋井的运行状况，地埋井使用中存在换热量不足的问题
2、实际换热量并不能满足使用要求
其原因是实际换热量与理论换热量并不相符，我们看到的数据，大多是理论数据或者是实验数据，表面看满足使用时没有问题的，但在实际应用过程中，理论数据往往并不能达到其预期效果，实验数据也可能存在误差，比如水源热泵机组理论能效比是可以达到7的，但实际上任何厂家的机组也是达不到的这个能效比的，可往往施工是严格安装设计进行的，所以才导致实际换热量并不能满足使用要求
3、地下水源和地质条件的变化引发的换热量不足
由于该地区某一时段内的长期干旱和地下水源无节制使用等原因会使地源井的换热量下降，起初能满足要求的换热井突然不能满足机组换热的需要
4、地埋井长期使用存换热量的衰减问题
原因是冷热负荷不均恒，地埋面积有限，大多项目空调夏季向地源侧中释放的热量多，而冬季则从地源侧吸收的热量少，虽然地下热量通过水的流动地表冷热辐等方式在不断地平衡，但是差别过大，这些多余的热量还是不能被平衡掉的，长此以往，地下本来恒定的地质条件被破坏，将导致换热量的下降
5、施工破坏等原因使地埋井数量减少换热量不够
后期施工因不了解地埋情况破坏地埋系统的也不少见，因为考虑到初投资成本许多工程往往不考虑换热井的余量问题，导致正在使用的机组不能工作
6、室外地埋部分水量换热量和后期的稳定性
室外地埋部分水量越大，换热量也就越稳定，后期运行也相应稳定。
地源热泵地埋部分设计一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
1、聚乙烯〔PE〕和聚丁烯〔PB〕在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。
2、PVC〔聚氯乙烯〕管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC 管。
3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁〔0.5mm〕的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。
4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。
5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、地埋管应能按设计要求长度成捆供给，中间不得有机械接口及金属接头。
二、连接1、热熔联接〔承接联接和对接联接，对于小管径常采用〕2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。
〔①盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等〕。
埋管水温：1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。
地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。
2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。
当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。
但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。
在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。
地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析马福一刘业凤（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）摘 要通常，地埋管地源热泵年运行的吸排热不平衡，这会导致热堆积，引起系统性能下降。
结合浅层地热资源的性质和地域特性，综合分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来，及其对热泵运行和生态环境的影响，并结合热平衡问题的影响因素提出了解决热平衡问题的技术思路。
关键词地源热泵热平衡地域特性生态环境ANALYSIS OF HEAT BALANCE IN GROUND-SOURCE HEAT PUMPMa Fuyi Liu Yefeng(College of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, P.R.China)Abstract Usually,the annual absorbing and releasing load are always different in Ground-source heat pump running which will lead to heat accumulation, and the heat pump performance will degrade. Based on nature of shallow geothermal resources and regional characteristic, the cause of ground heat imbalance in Ground-source heat pump is analyzed. And heat imbalance impacting on heat pump operation and the ecological environment are also analyzed. Combined with the influencing factors of imbalance, the technical considerations for solving this problem is put forward.Keywords Ground-source heat pump Heat balance Regional characteristic Ecological environment.0 引言地源热泵系统主要利用储存于地表浅层近乎于无限、不受地域限制的低焓热能，属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点[1]。
竖直地埋管换热器常见设计问题分析刁乃仁1,2,3崔萍1，2方肇洪1,2,31.山东建筑大学省部共建教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室；2.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室；3.山东中瑞新能源科技有限公司济南摘要针对地埋管换热器设计计算中存在的认识误区以及常见问题，分析导致问题出现的原因，对地埋管间距与埋管容量关系、每延米换热量及其作用、复合系统的优化设计及运行策略、设定循环液的最高与最低温度以及如何合理选择循环液流量及流速等设计问题进行了系统地分析，给出应对措施及优化设计方法。
关键词地埋管换热器，设计计算，复合式地源热泵系统0.前言地埋管热泵发尤其是竖直埋管的地埋管热泵技术已经在我国得到了快速发展，地源热泵市场也在日益扩张，然而随着越来越多的地源热泵系统的建成，不少系统在运行中也暴露出这样或那样的问题，例如有的地埋管热泵工程运行效率低下，经测试能效比甚至低于传统的水冷或风冷热泵机组；有的新建地埋管热泵系统无法正常运转。
这些问题的出现主要原因有三个：一是地埋管换热器的设计存在问题；其次是施工与管理过程不到位；再次系统运行管理不够专业。
据实际工程的不完全调查，许多项目的地埋管设计直接以经验估算，如以每米钻孔换热量指标为施工图设计依据，由此导致地埋管换热器设计尺寸偏大，初投资增高或者设计尺寸偏小系统运行不可靠等问题。
实际上，地埋管换热器的设计应综合考虑地域气候、建筑物类型、以及冷热负荷平衡等各种因素。
任何一种空调技术包括地源热泵技术都有其使用条件与应用范围，不可能也不应该包打天下，地埋管地源热泵技术具有更强的区域性与建筑条件的适宜性。
地埋管地源热泵系统的合理应用在很大程度上依赖于地埋管换热器的优化设计。
因此分析地埋管换热器常见的设计问题并给出应对措施，十分必要。
1、竖直地埋管间距与地埋管量设计中常常会遇到地埋管空间有限，常见做法是减少地埋管间距或竖直地埋管由单U 改为双U，以增加竖直地埋管量和地下热交换能力。
毋庸置疑，这种做法，对加大地埋管群的换热强度（功率）有利。
但对岩土蓄热体大小和地下冷热负荷不平衡度几乎不产生影响，反而将减少单位地埋管孔深所拥有的蓄热体。
如地埋管间距由5m改为3.5m，则单位孔深的体积由25m3减少为12.25m3，缩小了1倍多。
这对首个运行季节非常不利。
有可能造成地埋管地源热泵系统首个运行季节的中、后期低效甚至无法正常运行。
靠减少地埋管间距，增加地埋管量以满足换热量需要的方法常常不可取。
对中、大型地埋管地源热泵系统，靠单纯的增加地埋管量减弱冷热负荷不平衡度，效果也并不明显。
可行的设计方案：一是调整地埋管换热器的运行参数，使其提取与释放热量能力与建筑冷热负荷基本匹配；二是设置调峰冷热源，降低峰值负荷对地埋管换热器的过度要求。
这些都应进行经济技术比较。
2、地埋管每延米换热量与作用工程上地埋管换热器的设计计算多以每延米换热量为依据进行钻孔数量的设计。
通常是利用热响应测试方法，对地埋管换热器进行吸放热实验，按设定的运行工况，系统运行数十小时后，计算得到的地埋管换热器的平均取热量和散热量即作为该工程地埋管换热器的设计取热量和散热量。
实际上，地埋管换热器的设计埋管容量应综合考虑地域气候、建筑物类型、冷热负荷均衡性、钻孔几何参数、布置形式等多种因素的影响。
同时系统的短期或长期运行，间歇或持续运行等不同工况也对地埋管换热器的设计有很大的影响。
竖直埋管在岩土体内的吸放热过程是一个长期的持续的非稳态传热过程，通常在数年或数十年之后才能达到一个近似的稳态传热过程。
同时换热器的负荷也是逐时变化的，因此地埋管换热器的每延米换热量是一个随时间变化的变量。
仅仅根据数十小时的吸放热实验来确定地埋管换热器的实际换热能力是不科学的。
以某一住宅建筑为例，空调总冷负荷约为338kW，总热负荷约为262kW；其中年累计采暖热负荷约为227.9MWh，年累计空调冷负荷为85.6MWh。
过渡季节地源热泵系统停止运行，该系统属于全年间歇性运行，热负荷占优的系统。
图1模拟了系统运行第一年内全年逐时循环液的进出地埋管换热器的温度以及钻孔壁温度和周边岩土体（距离钻孔群5m远处）温度的变化曲线。
由图可以看出虽然建筑的全年累积冷负荷要小于热负荷，但是岩土体的温度在经过一年的运行之后变化不大，平均温度仅仅降低了0.1℃。
按照第一年设计的埋管容量来模拟系统运行10年的循环液温度及岩土体温度的变化，可以看出，经过10年的运行，地埋管周围岩土体的温度降低了2℃。
这说明该系统在长期运行工况下，地埋管的吸热量大于放热量，地下逐年堆积的冷效应会显著降低冬季的换热效率。
但在系统运行第五年时，进入地下的循环液温度已接近0度，已无法满足设计要求。
图1地埋管换热器运行第一年的温度场模拟曲线图2地埋管换热器运行10年的温度场模拟曲线实际上，地埋管换热器的设计计算应根据全年建筑冷热负荷，在保证系统运行年限内热泵进出口水温维持在设计允许范围之内的前提下，计算所需要的地埋管换热器的埋管长度及钻孔布置形式，及参数。
由上图分析可知，要保证系统在设计年限内（如20年）能满足建筑负荷要求及热泵进出口温度要求，则必须进行数十年的运行模拟设计计算。
3、复合复合与单纯与单纯与单纯地源热泵系统地源热泵系统地埋管换热器在全年冷热负荷均衡的建筑物中可以充分发挥大地储能的作用，具有较高的运行效率。
因此，地埋管换热器容量的设计应综合考虑全年冷热负荷的影响。
对于地下埋管年累积吸热量与年累积释热量相差不大的工程，应通过专用软件计算冬季与夏季所需的换热器的长度，取其不利工况下的钻孔长度为地埋管换热器的设计容量。
对于地埋管全年冷热负荷相差较大的建筑，应进行详细的至少两个方案以上的对比论证，以及经济技术分析，决定采用何种冷热源辅助的复合式地源热泵系统。
对于冷负荷占优的建筑，可以利用的辅助冷却源有：冷却塔散热系统、地表水、空气源、以及其他各种形式可利用的废水源；其中，冷却塔辅助的地源热泵复合系统是目前工程上应用最多，技术上可靠，经济较合理的复合式系统。
采用冷却塔水冷却系统所需的单位冷却负荷初投资，远低于地下埋管换热器冷却。
因此采用冷却塔辅助冷却的地源热泵系统，可有效降低系统初投资，且冷却塔承担的冷负荷越多，系统的初投资越小。
但辅助冷却塔散热的地源热泵复合系统，其运行与维修费用要略高于地源热泵空调系统，且冷却塔占的负荷比例越大，年经营成本越高。
因此在确定冷却塔的冷却容量时，应兼顾投资与运行费用两要素，同时应掌握两个原则：一是以能够满足地埋管换热器全年的冷热负荷基本平衡为前提。
用冷却塔负担多余的冷却负荷，即冷却塔的散热容量（能力）应能满足多余冷却负荷的需要；二是将冷却负荷分为两部分，一部分为变化缓慢的空调房间围护结构的基本负荷，另一部分为空调房间人体、照明及辐射等变化较大的内外热源引起的峰值负荷。
由地埋管换热器承担前者，辅助冷却塔承担后者。
因为变化缓慢、基本恒定的冷、热负荷更适合地埋管换热器的热交换特点。
当考虑采用冷却塔与地埋管换热器交替冷却的运行模式时，冷却塔的容量应按空调建筑的设计冷负荷确定。
实际上，仅从费用上考虑，冷却塔容量的大小对地源热泵空调系统的总投资影响很小。
因此，在条件许可的情况下，按空调建筑的设计冷负荷确定冷却塔的容量，将为地源热泵复合系统运行模式的选择及合理安排冷却塔的运行时段，提供便利条件。
这不失为一种安全可靠的可选方案。
当冷却塔仅作为辅助冷却源来承担建筑物多余的冷负荷时，冷却塔的容量应经过详细的计算与分析后确定[1，2]。
美国的ASHRAE与Kavanaugh分别对复合地源热泵系统的设计提出了适用于工程的简化计算方法，即首先按夏季与冬季的负荷（设计峰值负荷或年累积负荷）分别计算出所需的埋管长度，然后根据埋管长度的差值，利用热平衡估算冷却塔的设计容量，最后根据冷却塔的冷却能力与全年冷热负荷的差值来近似估算冷却塔的运行时间。
实际上，冷却塔容量的精确计算是一个极其复杂的过程，它不仅与建筑的负荷特性、地埋管的尺寸有关,而且还与冷却塔的控制策略与开启时间紧密相连。
理想的设计计算方法，应采用专业的地源热泵设计模拟软件首先对地埋管换热器进行全年动态模拟，根据模拟的结果分析地埋管的不平衡率，然后引入优化算法，采用最优的控制策略，来确定地埋管与冷却塔最佳的匹配尺寸，使复合系统的寿命周期费用最低。
冷却塔辅助的地源热泵复合系统的经济性在很大程度上取决于系统采用何种控制策略，如冷却塔的启停控制，运行时间，以及冷却塔与地埋管的运行模式。
控制策略的确定应综合考虑复合系统中的各个影响因素，如负荷特性，地埋管热平衡问题，机组的运行效率，以及室外气象条件等。
许多研究结果表明，在综合考虑土壤温度场恢复，系统运行效率等各因素之后，采用湿球温差控制冷却塔开启的控制方式为最经济的一种控制策略，该结论还有待于进一步的实验验证[3,4,5]。
为了解决北方建筑热负荷大冷负荷小造成的地埋管换热能力不足的问题，也可以采用燃气锅炉辅助的地源热泵复合系统，夏季制冷全部由地埋管承担，冬季制热则由地源热泵承担大部分的热负荷，锅炉承担额外的热负荷。
燃气锅炉的效率较高，自动控制比较灵活，初投资也较低，因此在有燃气管网的地方，可以考虑将燃气锅炉作为地源热泵的辅助加热设备。
但需要注意燃气锅炉提供相同的供热量所需的运行费用比地源热泵系统高很多。
因此通常只在供暖期的极端气候条件下启动燃气锅炉作为调峰用。
增设的燃气锅炉只是用于补充地埋管换热器能力的不足，可以通过燃气锅炉将循环水加热到10-15℃，作为热泵的低温热源，这样不仅减少了燃气锅炉的容量与使用时间，降低了消耗的燃料，同时也最大程度地利用了热泵这一节能环保技术在供热中的应用。
增设的辅助热源的容量及运行模式的确定，应经过详细的计算与分析后确定。
北京某一住宅小区采用了地埋管换热器和辅助冷热源组成的地源热泵复合系统[6]。
设计方案以地埋管换热器作为全年冷热源主体，夏季采用湖水辅助散热，冬季采用燃气锅炉辅助加热，见图3。
该项目充分利用建筑物周边空地设置埋管，同时通过优化设计设置辅助散热和加热系统满足供热和制冷的峰值负荷，达到了节约土地、降低初投资、提高系统性能与可靠性的目的。
这种复合系统非常适合于用地紧张的项目中推广应用。
图3冷热源辅助的地源热泵复合系统应因地制宜的引入各种辅助冷源来承担多余的建筑物冷负荷，或者采用辅助的热源来承担多余的热负荷，使地埋管换热器全年冷热负荷均衡，这样不仅降低了地埋管换热器的初投资，还大大提高了系统运行的可靠性。
4、地埋管循环液最高温度与最低温度由于某些设计者习惯用地埋管每延米换热量计算所需地埋管量。
而此方法，不涉及地埋管循环液夏季最高温度与冬季最低温度的设定。
这是本末倒置。
实际上，只有确定了这两个温度，方可对地埋管量进行模拟计算。
