地源热泵系统设计应用手册

地源热泵设计应用手册⑴ 0 序言 国家大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源——地源能的发展利用，相继出台了一系列法规和政策。 ①《中华人民共和国节约能源法》第4条规定：“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”，而地源热泵所使用的地源能正是属于可再生能源。 ②建设部《民用建筑节能管理规定》第4条规定：“国家鼓励发展太阳能、地热等可再生能源的应用技术和设备”。 ③国家经贸委《2000—2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》指出：“加快地源热泵技术的引进和发、加速国产化。要大力开拓地热采暖市场，到2005、2010、2015年地热采暖面积分别达到1500万、2250万3000万平方米。要积极推动地热的综合利用”。 ④《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JG134—2001，J116—2001）第6.0.7条：“具备可供地热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。” ⑤《建设部建设节能“十五”计划纲要》中明确指出“十五”期间建筑节能工作的重点之一是：“大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中利用的工作”。 ⑥《建设部建设节能“十五”计划纲要》中列出的18项拟重点开展的科技项目其中的第13项指出：“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。 ⑦国家发展改革委办公厅2005年《关于组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专项的通知》（发改办高技[2005]509号）中专项的主要内容第（三）项列出“太阳能供热和地源热泵供热（制冷）。开展新型太阳能热水器和地源热泵系统产业化。包括高可靠性新型真空管集热器、大面积中高温太阳能热水系统、全天候太阳能热水系统、高效地源热泵及其配套系统。” ⑧2005年11月30日，中华人民共和国国家标准GB—50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》发布。 ⑨根据国家《公共建筑节能设计标准》GB—50189—2005.5.3.11：“对有较大内区且常年有稳定的大量余热的办公、商业等建筑，宜采用水环热泵空气调节系统。” 水源热泵系统能分为两个不同部分——室内侧和水源侧。热泵机组实现了冷量在系统两侧来回传递。当系统两侧适当平衡时，水源热泵会自动提供给家庭供热和供冷，进而舒适地年运行。然而，如果系统不平衡就可能产生问题。所以设计和安装水源热泵的人，应该了解系统的两侧，并实现他们之间的适当平衡。本手册就是为读者提供熟悉整个基础以及特别充分了解一个水源热泵系统选择、设计和安装的所需资料。我们开始先由系统的水侧来讨论。 1、 井水 1.1 系统的水源侧 1.1.1 水质 在设计井水系统中,水质是一个最重要的考虑。以下是必须考虑的3个基本要素： 1）可开采量 2）地下水温度 3）洁净度 这些水质要素不仅在选择的供水源时必须考虑，而且在决定合适的水处理方法时也是必要的。 ⑴供水水质： ① 可开采量 供水水质最重要的要素是可开采量，要求有足够的水流量才能保证系统的正常运行。在Sol-A-Terra(SATⅠ&Ⅱ)技术通报上已规定了各种规格热泵系统所需的特定水量.亦可用如下经验规则估计所需水量: SATⅠ系统每12000Btu/H(3023 kal,约1rt)制冷量需3GPM(gal/min)水量。SATⅡ系统每12000Btu/H制冷量需求2 GPM。所以，首先确定系统总制冷量，然后估计系统平衡所需的总水量（GPM），接着咨询当地钻井商以确定水量是否可从地下得到。当地有资质的钻井商名单可以由国家水井协会（NWWA）或当地Mammoth分部得到。一旦有资质的钻井商确定有足够水量,则可继续进行水井系统和设计（参见本手册1.1.2和1.1.3节）。如果无法提供所需水量则可采用地下耦合系统、地热井或蓄水池系统（参见本手册有关章节）。 ② 地下水温度 水源温度是供应水质的另一个要素。水温是水中所含热能总量的量度，直接影响热泵机组的换热能力。通过调节热泵机组的水量，可增加（或减少）供热量及供冷量。特定的供冷供热负荷和水源温度确定后，即可根据Sol-A-Terra技术通报，确定系统运行所需的特定流量。 ③洁净度 供水水质要考虑的决定因素是水的洁净度。任何水都含有一定杂质。这些杂质有可能会影响热泵系统的性能。由于水源热泵通常采用未经处理的井水，常规是如果未经处理的井水是可以饮用的，那么它就可以用于热泵系统。当然，水必须分离出砂和其他颗粒物体，以防止磨损热交换器和堵塞阀门。因此，Mammoth建议在供水管路中采用过滤器。 ⑵回灌水水质 通过水源热泵机组后的水必须进行处理。同时，要采取措施将处理后的水回灌到取水层。通常的做法是直接把使用过的水直接进行回灌，因此称之“回灌水”。供水水质三要素：水量、水温和纯净度同样应用到回灌水。 在系统的回灌侧，我们必须重视回灌水的洁净度。毕竟，基本纯净的水是从蓄水层抽出的，从这里抽出的其他水是饮用或煮食之用。采用SAT水源热泵系统，回流到蓄水层的水是安全和清洁的，像从蓄水层出来一样。这些水的处理，没有卫生健康问题。因为这些水在管道压力下流过热泵系统，未曾接触空气或制冷剂。仅有的变化是水温的变化，约5—15oF，若带水进出热泵机组的管道破裂，其结果是水的漏失，不会危害健康。如果水—制冷剂换热器中的管道损坏，则制冷剂（R22）主制冷剂润滑油可能进入回水中。然而这些污染物不会产生健康危害。制冷润滑油（每台机组< 0.47L）是比在药店作为轻泻剂销售的矿物油更高纯度的高级精制矿物油R22(一氯二氟甲烷)是人工制冷剂,稳定、元素性、无腐蚀性、无刺激性且不燃。依照“机械制冷的美国安全标准规范”，医院厨房可使用多达9.98 kg的R22,而一台典型的地下水热泵机组仅有1.81kg R22因此,离开热泵机组的水与进入机组时一样安全卫生 。 正确设计和安装井水源热泵系统，回灌水的温度和水量也是必须考虑的因素。以回灌水温度不影响供水温度为宜。此外，蓄水层再吸收回灌水的能力亦会影响供水温度为宜。此外，蓄水层再吸收回灌水的能力亦会影响回灌水系统的选择和设计。这些在手册1.1.3节中有详细的阐述。 ⑶铜和铜镍合金换热器的比较 SAT热泵机组包含一台换热器，热能通过此换热器从制冷剂传递给水，反之也是，但不允许两者直接接触。水和制冷剂各自在相互独立的盘管中流动。水盘管采用标准材料是铜。另外，选择用铜镍合金的水盘管也是可行的。铜镍合金是一种铜的特殊合金，有着较高的抗腐蚀性。通过采用铜镍合金换热器得到的好处是增加耐腐蚀性，大幅增加换热器的使用寿命。由于沉淀物的产生，热交换器内部必须定期清洁。虽然，铜和铜镍合金结垢速率没有明显不同，但由于铜镍合金具有较好的耐腐蚀性，可多次清洁，故其更加耐用。根据表Ⅰ可决定是否需要采用一台铜镍合金换热器。 ⑷避免潜在问题 如前所述，所有的水都含有一些杂质，可能影响热泵系统性能。采用铜镍合金水盘管（如前所述）是防止可能发生问题所做的第一步。然而，铜镍合金对排除这些问题不是万灵药。采用下列措施会使氧化和水垢减少到最低。 表ⅠMammoth水盘管选择指南 可能的问题 采用铜盘管 采用铜镍合金盘管 氧化（结垢） 钙和镁盐 （硬度） 氧化铁 (25粒/gal) 低 >350ppm 高于海水 高 腐蚀 pH 硫化氢 二氧化碳 溶解氧 氯化物 总溶解固体 7~9 <10ppm <50ppm 仅与压力水罐 <300ppm <1000ppm 5~7和8~10 10~15 ppm 50~75 ppm 所有系统 300~600 ppm 1000~1500 ppm 生物增长 铁细菌 悬浮固体 低 低 高 高 注：如果腐蚀物浓度超过在铜镍合金表列的最大值，则可能引发严重的腐蚀，需进行水处理。 ① 污垢 污垢是由于含在水中的矿物质沉淀而从溶液中析出，并在管道和阀门内表面累积的过程。污垢形成，传热效率减少，水阻力增加，从而减少系统的水流量。如果忽视氧化问题，污垢最终会阻塞系统。 形成污垢的矿物质，通常出现在井水里。这些矿物质被二氧化碳“锁”在溶液中。如果水温突然升高或水压突然下降，悬浮的矿物质即从溶液中分离出来，形成碳酸垢。所以，防止结垢的第一步是保持所有水管路的压力。采用在排出管（回水管）上装设电磁阀和调节阀来保持压力。此外，Mammoth建议，采用慢关闭电磁阀避免压力突降。防止污垢的第二步是在热泵制冷工况时限制水温上升水于20 oF（11 oC），通过增加流量来限制水温上升。当热泵在供热工况下，氧化结垢是不太可能发生的。 ② 腐蚀 腐蚀中管道和阀门被在水中的悬浮化合物腐蚀或溶解的过程。多数地下水没有较高的腐蚀性（见表Ⅰ）。然而，一旦腐蚀出现，不排除的话，将会导致整个水管路系统腐蚀损坏。防止腐蚀的第一步是在热泵系统中采用PVC或聚丁烯（polybutylene）材料。管道配件也须是防腐蚀的。应采用PVC阀门，因为黄铜会被腐蚀。 另一种常见的腐蚀被称为电偶腐蚀。不同金属混合在水系统中而发生。为了避免电偶腐蚀的发生，不要采用铸铁或镀锌的钢管及配件。允许用的材料是：铜、PVC、聚丁烯、聚炳烯和橡胶。 ③ 铁锈 铁锈是由一种棕褐色的糊状沉淀物沉集而成，是由铁细菌所致，与氧化垢一样能有效堵塞水系统的物质。保持水压并避免与空气接触可以抑制铁锈细菌的生长。然而，如果铁锈细菌在水中出现，就会形成沉淀物，需要用酸性氯溶液（acid-chlorine）定期清洗。因此，尽量采用铜镍合金水盘管，虽然这样不会减少铁细菌的生长，但是能使换热器达到最大使用寿命。 1.1.2井水供应 井水或地下水可在地下砂、砾石和岩石之间的空隙地方找到。一般，在任何地方都有地下水，但它们的深度、质量、温度和相对纯度，差异非常大。这些参数对井水源热泵系统的选择、规模确定和安装非常重要（详见本手册1.1.1节供水水质）.应向当地钻井商咨询地下水情况。 1） 水井的种类 水井有3种基本类型，其中任何一种都有可能适合或不适合你所在地的热泵系统。要决定哪种类型的井是适合的，最好的方法是请教当地的钻井商。 第一种是最简单的井型：手挖井。一般它是一个十分浅的坑（<15m深），大直径，用砖或大石头砌成。这种井型仅适合地下水接近地表的地方。特别要注意手挖井的出水量和温度，这些参数可随季节变化或受天气变化的不利影响。 每二种井型是瓦井，瓦井类似手挖井，它具有大直径，相对浅（<30m深），用多孔瓦，以便渗入筑成的井壁。同手挖井，瓦井是用蓄水池原理来动作，就是水是储存在井中，以便正常使用。由于“蓄水池”的水位可以随季节或天气而变化，井水热泵系统中使用这两种井型时，必须慎重考虑。 第三种井，也许是最普通的井型就是钻井。钻井是用一个带钻头的螺旋型杆钻入地下，形成的小直径孔洞。我们多数已经熟悉钻井的基本概念，孔能按找到地下水的要求钻到任何深度（如果需要可到150m深）。一旦孔被钻成，就放入适合的耐腐蚀管（PVC或钢），这些管道叫井套管，防止井塌并构成一条自由、无碍的通道让水从地下蓄水层流到地面。钻井的基本构成详见图1。 钻井与其他两种井最重要的不同处在于钻井不以蓄水池原理动作，水并非储存在井管中而被使用的，钻井系统依靠的是流动的地下水，储存在土壤中空隙地方的水必须以一定流量流到井套的开口里，以便有足够的水量供给热泵系统运行。水在土壤中的渗透速度取决于很多复杂的土壤特性，任何合格的当地钻井商都有能力确定任何特定位置可能的出水量。 2） 钻井系统 当前，工业钻井系统被划分为两个基本类型——供水井和、地热井。两个系统之间基本不同点是：供水井是单一回路系统，水流经井内滤网进入井管，经过热泵后，以后面将讨论的方式中的一种进行处理（见1.1.3节）。而地热井是双回路系统，在同一口井，从水井的顶部抽出，而回灌到底部。在任何特定的位置，采用什么类型的井系统取决于地质和出水量。在讨论各种系统的不同之前，读者有必要熟悉如下基础术语： 蓄水层（aquifer）——水体或水量。地下蓄水层是包含在地表面下，承载水的结构。 水床（water table）——蓄水层的表面。在地下蓄水层，水床是指水承载结构最接近地表面的深度处。 静水线（static water level）——井中水会上升到水平线。静水线是指任何给定时间，井中包含水量的表面。 加固构造（ consolidated formation） ——固态岩石层（花岗岩、石灰岩、砂石、油页岩等）。 非加固构造（unconsolidated formation）——混合材料是一个单向系统。