土壤源热泵系统的设计与安装

地源热泵系统的设计与安装引言地源热泵系统共分为三种形式：土壤源热泵是地源热泵系统的形式之一，其核心是土壤耦合地热交换器；地源热泵系统还包括地下水和地表水热泵系统。地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。土壤源热泵系统的设计步骤工程勘察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。对于地埋管地源热泵系统方案设计，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察。地埋管换热系统勘察应包括下列内容:1岩土层的结构;2岩土体热物性;3岩土体温度;4地下水静水位、水温、水质及分布;5地下水径流方向、速度;6冻土层厚度。选择闭式环路系统还是土壤耦合系统？由于地下水的抽取和排放的限制，通常采用闭式环路土壤热交换器系统比较现实。建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算1.冬夏季冷热负荷与常规空调系统冷热负荷计算方法相同。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。估算前必须进行建筑空调分区，确定每个分区的冷热负荷，最后获得整幢建筑的总供冷与供热负荷。详细计算请见设计手册与标准规范。2.冬夏季换热量可按下列公式计算：夏季：冬季：－夏季、冬季的换热量，kW－夏季、冬季设计总负荷，kW－设计工况下热泵机组的制冷系数和供热系数]11[111'COPQQ]11[222'COPQQ1'Q1Q1COP2'Q2Q2COP土壤热交换器设计1.选择地下热交换器形式水平式或垂直式在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且受可利用土地面积的限制，水平布置所占土地面积是垂直式的5~10倍，水平式占地140~350m2/冷吨，垂直式占地6~40m2/冷吨。所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。垂直埋管一般可分为U行管和套管两种，结构形式如下：1.串联或并联地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。2.选择管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE给水管）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC(全名为Polyvinylchlorid，主要成份为聚氯乙烯)管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。3.确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内水流保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下[1]。4.确定竖井埋管管长地下热交换器长度的确定，除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右[3]。设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），具体计算公式如下：－竖井埋管总长，m;－夏季向土壤排放的热量，W/m.5.确定竖井数目及间距国外，竖井深度多数采用50～100m[2]，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:N－竖井总数，个；L－竖井埋管总长，m;H－竖井深度，m.然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。U型管竖井的水平间距一般为4.5m[3]6.计算管道压力损失在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法。7.水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。8.校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：p－管路最大压力，Pa；－建筑物所在的当地大气压，Pa；ρ－地下埋管中流体密度,kg/m3;h－地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高差,m;－水泵扬程,Pa。hpghpp5.000php土壤热交换器的安装一.施工前的准备工作1分析地质资料，进行地下换热器的计算，确定施工方案；2分析方案，依据图纸、方案明确任务目标；（前期准备，需打测试孔，获得相关参数）3准备专用施工机械：钻孔机，回填泵等；4准备专用管材专用回填料（按地质特征进行配方）等；5按图纸要求放线定位，明确打孔位置土壤热交换器施工工艺二竖孔施工a．钻孔准备1．了解并确定土壤地质条件。2．确定地下综合管线分布及设置情况，并做好明显的标识记号。3．平整土地，根据地埋管施工图，用白灰标示具体钻孔位置及总管坑槽位置。4．确认钻孔支架打设位置。5．确认钻孔机械电源容量及供给情况。6．提供水源至钻孔现场。土壤热交换器施工工艺b．工程钻孔1．根据工程实际情况，随时填写记录表并及时分析土壤实际状况。无特殊情况，每孔必须填写四次深度记录表。2．钻孔直径110-150mm。3．确保钻孔深度。钻孔深度以设计为准，并做好记录。4．施工时，可根据工程需要和土壤情况，钻孔深度可适当增加，并做好记录便于埋设相应的管道。5．钻孔完毕后，应及时埋设管道并灌浆。土壤热交换器施工工艺c．地埋立管施工1．管材采用HDPE高密度聚乙烯材料，聚乙烯管用专用的热熔设备进行热熔连接。根据生产厂家的说明进行施工。2．管道拉直，下料，根据钻孔深度确定立埋管深度，采用单U型埋管，每孔两根管。3．单U管制作，采用热熔工具焊接单U管。单U管水压试压，试验压力不小于10kgf/cm2。管道检漏，具体参照《地源热泵系统工程技术规范》中4.5.2条实行。4．检漏合格后管口做好临时封闭，保护接口不受破坏。填写试压验收记录。5．放好埋管、灌浆前，应固定埋管，并在孔和管子之间的缝隙放入一些细黄沙并用石块等固定管口。土壤热交换器施工工艺d．灌浆1．钻孔结束，放好立埋管后，即开始灌浆。2．灌浆应采用专用设备（灌浆泵），通过绑扎好的灌浆管进行。3．确保根据灌浆速度，同时提升上拔灌浆管。4．在浆液涌出地面后停止灌浆，并拔出灌浆管，用石块等固定管口。5．浆液膨胀凝固需24小时，此前严禁进入下一步施工。土壤热交换器施工工艺e．地埋横管施工1．立埋管施工完成后，需开挖横埋管沟槽，深度不宜小于1.5米（具体按设计要求）。沟槽与立管交叉处应特别注意立管保护不受破坏。管沟内填充至少200mm厚度的细黄沙，且确保周围200mm范围内无石头及金属硬物。2．管道连接前应确保管道内壁及接口清洁。3．所有接口接好后，整个地埋管系统要充水试压检漏，试验压力与立埋管试验压力一致。稳压至少2小时应无明显压力变化，方可确定系统检漏合格，然后系统排气、注水。地源热泵地下换热器施工工艺f．回填1．系统试压合格，确认无漏后，才可以回填土壤。2．回填土首层应为至少200mm厚度的细黄沙，且确保其中无石头及其它硬物；200mm以外用一般土回填3．横埋管在地表下的深度至少为1.5米，回填后在相对标高-0.2米处设置对应的横管及立管标识。4．地埋管换热系统安装完毕后，且冲洗、排气及回填完成后，应再进行水压试验，试验压力与上面一致。3.管件及管道的连接方法管路连接有焊接、承插和活接头三种方法。对于承插式连接一定注意要在活性胶干了之后才能使用。活接头连接优点是比较灵活方便,但造价较高。一般的管路和套管中的内管采用活接头连接,以利今后的检修。4.管道敷设及回填水平地埋管换热器铺设前，沟槽底部应先铺设相当于管径厚度的细砂。水平地埋管换热器安装时，应防止石块等重物撞击管身。管道不应有折断、扭结等问题，转弯处应光滑，且应采取固定措施。水平地埋管换热器回填料应细小、松散、均匀，且不应含石块及土块。回填压实过程应均匀，回填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道。竖直地埋管换热器U形管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。下管过程中，U形管内宜充满水，并宜采取措施使U形管两支管处于分开状态。竖直地埋管换热器U形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔。当埋管深度超过40M时，灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行。竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用膨润土和细砂(或水泥)的混合浆或专用灌浆材料。当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填。[1]徐伟等.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，2001.11[2]谢汝镛.地源热泵系统的设计.现代空调，2001.3：33～74[3]肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例。.现代空调，2001.3：88～100国内地源热泵市场情况近年来，我国地源热泵市场容量呈现梯形增长国内主要地源热泵品牌目前，国内有近百个地源热泵品牌，2008年销售额超过亿元的仅三家：克莱门特、富尔达、清华同方。克莱门特所占市场份额最大。其工厂在上海星火开发区，作为国内以及东南亚地区的生产和售后服务中心，有一支强大的售后服务技术人员队伍为及时为用户服务。国内较具有影响力的地源热泵项目实例南京朗诗国际街区工程面积：30万m2。一期10万m2已建成投入使用；二期7.5万m2地源热泵机组已到位；三期12.5万m2。一期情况：结合顶棚辐射系统和置换新风系统使用。顶棚辐射系统夏季供回水温度18/20℃，冬季28/26℃；置换新风系统夏季供回水温度7/12℃，冬季35/30℃。机组配置：两台克莱门特PSRHH1002地源热泵机组为顶棚辐射系统提供冷热量；两台FOCSWATERHR3602为置换新风系统提供冷热量。当代万国城北区（北京第一个建筑物下面埋置土壤换热器的项目）位置：北京市海淀区东直门项目简介：总建筑面积约22万平米影响力：北京第一个建筑物下面埋置土壤换热器的项目采用克莱门特地源热泵机组国内较具影响力的地源热泵工程实例地源热泵系统埋管施工现场地源热泵系统埋管施工现场地源热泵系统埋管施工现场地源热泵系统地埋施工现场