土壤源热泵系统的设计与安装.ppt

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1、地源热泵系统的设计地源热泵系统的设计与安装与安装引言引言n n地源热泵系统共分为三种形式：地源热泵系统共分为三种形式：n n土壤源热泵是地源热泵系统的形式之一，其核心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是土壤耦合地热交换器；地源热泵系统还包括地地下水下水和和地表水地表水热泵系统。热泵系统。n n地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗地下水、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、低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水地表水并非到处可得并非到处可得，且，且水质水质也不一定能满足要也不一定能满足要求，所

2、以其使用范围受到一定限制。国外（如美求，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我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源土壤源热泵热泵系统。系统。土壤源热泵系统的设计步骤土壤源热泵系统的设计步骤n n工程勘察工程勘察 地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地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。

3、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地埋管换热系统勘察应包括下列内容:1 1 岩土层的结构岩土层的结构;2 2 岩土体热物性岩土体热物性;3 3 岩土体温度岩土体温度;4 4 地下水静水位、水温、水质及分布地下水静水位、水温、水质及分布;5 5 地下水径流方向、速度地下水径流方向、速度;6 6 冻土层厚度。冻土层厚度。n n选择闭式环路系统还是土壤耦合系统？n n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。n n建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 1.1.冬夏季冷热负荷冬夏季冷热负荷 与常规空调系统冷热负荷

4、计算方法相同。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，最小计算周期宜为算，最小计算周期宜为1 1年。计算周期内，地源热年。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。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。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，夏季

5、、冬季的换热量，kWkW 夏季、冬季设计总负荷，夏季、冬季设计总负荷，kW kW 设计工况下热泵机组的制冷系数和设计工况下热泵机组的制冷系数和 供热系数供热系数土壤热交换器设计土壤热交换器设计 1.选择地下热交换器形式选择地下热交换器形式 水平式或垂直式水平式或垂直式 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510倍，水平式占地140350m2/冷吨，垂直式占地640m

6、2/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垂直埋管一般可分为U U行管和套管两种，结构形式如下：行管和套管两种，结构形式如下：1.串联或并联串联或并联 地下热交换器中流体流动的回路形式有地下热交换器中流体流动的回路形式有串联串联和和并联并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，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，其压个并联环路之间流量平衡时，其换热量

7、相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用都采用并联同程式并联同程式。2.2.选择管材选择管材 一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可一般来讲，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。所的数量较多，应该优先考虑使用价格较低

8、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（用的是聚乙烯（PEPE给水管）和聚丁烯（给水管）和聚丁烯（PBPB）管材，它）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用5050年以上；而年以上；而PVC(PVC(全名为全名为PolyvinylchloridPolyvinylchlorid，主要成份，主要成份为聚氯乙烯为聚氯乙烯)管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，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。容易导致泄漏，因此，不推荐用

9、于地下埋管系统。3.3.确定管径确定管径 在实际工程中确定管径必须满足两个要求在实际工程中确定管径必须满足两个要求22：（：（1 1）管道要大到足够保持）管道要大到足够保持最小输送功率最小输送功率；（2 2）管道要小到足够使管道内水流）管道要小到足够使管道内水流保持紊流保持紊流以保证以保证流体与管道内壁之间的传热。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。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换器埋管常用管径有20mm20mm、25mm25mm、32mm32m

10、m、40mm40mm、50mm50mm，管内流速控制在，管内流速控制在1.22m/s1.22m/s以下以下,对更大管径的对更大管径的管道，管内流速控制在管道，管内流速控制在2.44m/s2.44m/s以下或一般把各管段以下或一般把各管段压力损失控制在压力损失控制在4mH4mH2 2O/100mO/100m当量长度以下当量长度以下11。4.4.确定竖井埋管管长确定竖井埋管管长 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，

11、可以利用管材等。在实际工程中，可以利用管材“换热能力换热能力”来计算管长。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，一般垂直埋管为直埋管为7070110W/m(110W/m(井深井深)，或，或353555W/m(55W/m(管长管长)，水平埋，水平埋管为管为202040W/m40W/m（管长）左右（管长）左右33。设计时可取换热能力的下限值，即设计时可取换热能力的下限值，即35W/m35W/m（管长），具体计算（管长），具体计算公式如下：公式如下：竖井埋管总长，竖井埋管总长，m;m;夏季向土壤排放的热量，夏季向土壤排放的热量，

12、W/m.W/m.5.确定竖井数目及间距 国外，竖井深度多数采用国外，竖井深度多数采用5050100m2100m2，设计，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度者可以在此范围内选择一个竖井深度H H，代入下式，代入下式计算竖井数目计算竖井数目:N N竖井总数，个；竖井总数，个；L L竖井埋管总长，竖井埋管总长，m;m;H H竖井深度，竖井深度，m.m.然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，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。成本大大增加。U U型管竖井的水平间距一般为型管竖井的水平间距一般为

13、4.5m3 4.5m3 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。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，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，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系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。号

14、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；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。土壤热交换器的安装土壤热交换器的安装 一.施工前的准备工作n n1 1 分析地质资料，进行地下换热器的计算，确定分析地质资料，进行地下换热器的计算，确定 施工方案；施工方案；n n2 2 分析方案，依据图纸、方案明确任务目标；分析方案，依据图纸、方案明确任务目标；（前期准备，需打测

15、试孔，获得相关参数）（前期准备，需打测试孔，获得相关参数）3 3 准备专用施工机械：钻孔机，回填泵等；准备专用施工机械：钻孔机，回填泵等；4 4 准备专用管材专用回填料（按地质特征进行配准备专用管材专用回填料（按地质特征进行配方）等；方）等；5 5 按图纸要求放线定位，明确打孔位置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二二 竖孔施工竖孔施工 n na a 钻孔准备钻孔准备 n n 1 1了解并确定土壤地质条件。了解并确定土壤地质条件。n n 2 2确定地下综合管线分布及设置情况，并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。做好明显的标识记号。n n 3 3平整土地，根

16、据地埋管施工图，用白灰平整土地，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。标示具体钻孔位置及总管坑槽位置。n n 4 4确认钻孔支架打设位置。确认钻孔支架打设位置。n n 5 5确认钻孔机械电源容量及供给情况。确认钻孔机械电源容量及供给情况。n n 6 6提供水源至钻孔现场。提供水源至钻孔现场。土壤热交换器施工工艺b b 工程钻孔工程钻孔 1 1根据工程实际情况，随时填写记录表并及根据工程实际情况，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。填写四次深度记录表。2 2钻孔直径钻孔直径110-150mm110

17、-150mm。3 3确保钻孔深度。钻孔深度以设计为准，并确保钻孔深度。钻孔深度以设计为准，并做好记录。做好记录。4 4施工时，可根据工程需要和土壤情况，钻施工时，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孔深度可适当增加，并做好记录便于埋设相应的管道。的管道。5 5钻孔完毕后，应及时埋设管道并灌浆。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 c 地埋立管施工地埋立管施工 1 1 管管材材采采用用HDPEHDPE高高密密度度聚聚乙乙烯烯材材料料，聚聚乙乙烯烯管管用用专专用用的的热热熔熔设备进行热熔连接。根据生产厂家的说明进行施工。设备进行热熔连接。根据生产

18、厂家的说明进行施工。2 2 管管道道拉拉直直，下下料料，根根据据钻钻孔孔深深度度确确定定立立埋埋管管深深度度，采采用用单单U U型埋管，每孔两根管。型埋管，每孔两根管。3 3 单单U U管管制制作作，采采用用热热熔熔工工具具焊焊接接单单U U管管。单单U U管管水水压压试试压压，试试验验压压力力不不小小于于10kgf/cm10kgf/cm2 2。管管道道检检漏漏，具具体体参参照照地地源源热热泵泵系统工程技术规范中条实行。系统工程技术规范中条实行。4 4 检检漏漏合合格格后后管管口口做做好好临临时时封封闭闭，保保护护接接口口不不受受破破坏坏。填填写写试压验收记录。试压验收记录。5 5 放放好好埋

19、埋管管、灌灌浆浆前前，应应固固定定埋埋管管，并并在在孔孔和和管管子子之之间间的的缝缝隙隙放入一些细黄沙并用石块等固定管口。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 d 灌浆灌浆 1 1钻孔结束，放好立埋管后，即开始灌浆。钻孔结束，放好立埋管后，即开始灌浆。2 2灌浆应采用专用设备（灌浆泵），通过绑扎好灌浆应采用专用设备（灌浆泵），通过绑扎好的灌浆管进行。的灌浆管进行。3 3确保根据灌浆速度，同时提升上拔灌浆管。确保根据灌浆速度，同时提升上拔灌浆管。4 4在浆液涌出地面后停止灌浆，并拔出灌浆管，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。用石块等固定管口。5 5浆液

20、膨胀凝固需浆液膨胀凝固需2424小时，此前严禁进入下一步小时，此前严禁进入下一步施工。施工。土壤热交换器施工工艺e e 地埋横管施工地埋横管施工 1 1 立埋管施工完成后，需开挖横埋管沟槽，深度不宜立埋管施工完成后，需开挖横埋管沟槽，深度不宜小于小于1.51.5米（具体按设计要求）。沟槽与立管交叉处米（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。管沟内填充至少应特别注意立管保护不受破坏。管沟内填充至少200mm200mm厚度的细黄沙，且确保周围厚度的细黄沙，且确保周围200mm200mm范围内无范围内无石头及金属硬物。石头及金属硬物。2 2管道连接前应确保管道内壁及接口清洁。

21、管道连接前应确保管道内壁及接口清洁。3 3 所有接口接好后，整个地埋管系统要充水试压检漏，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。稳压至少试验压力与立埋管试验压力一致。稳压至少2 2小时应小时应无明显压力变化，方可确定系统检漏合格，然后系无明显压力变化，方可确定系统检漏合格，然后系统排气、注水。统排气、注水。地源热泵地下换热器施工工艺f f 回填回填 1 1系统试压合格，确认无漏后，才可以回填土壤。系统试压合格，确认无漏后，才可以回填土壤。2 2回填土首层应为至少回填土首层应为至少200mm200mm厚度的细黄沙，且确厚度的细黄沙，且确保其中无石头及其它硬物

22、；保其中无石头及其它硬物；200mm200mm以外用一般土回以外用一般土回填填 3 3横埋管在地表下的深度至少为横埋管在地表下的深度至少为1.51.5米，回填后在相米，回填后在相对标高对标高-0.2-0.2米处设置对应的横管及立管标识米处设置对应的横管及立管标识。4 4 地埋管换热系统安装完毕后，且冲洗、排气及回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，试验压力与上面一填完成后，应再进行水压试验，试验压力与上面一致。致。3.管件及管道的连接方法n n 管路连接有焊接、承插和活接头三种方法。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

23、才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能使用。活接头连接优点是比较灵活方便,但造价但造价较高。一般的管路和套管中的内管采用活接头连较高。一般的管路和套管中的内管采用活接头连接接,以利今后的检修。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，且应采取固折断、扭结等问题，转弯处应光滑，且应采取固

24、定措施。定措施。水平地埋管换热器回填料应细小、松散、均匀，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。填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道。竖直地埋管换热器竖直地埋管换热器U U形管安装应在钻孔钻好且孔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。孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。下管过程中，下管过程中，U U形管内宜充满水，并宜采取措施形管内宜充满水，并宜采取措施

25、使使U U形管两支管处于分开状态。形管两支管处于分开状态。竖直地埋管换热器竖直地埋管换热器U U形管安装完毕后，应立即形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔。当埋管深度超过灌浆回填封孔。当埋管深度超过40M40M时，灌浆回时，灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行。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竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用膨润土和细砂和细砂(或水泥或水泥)的混合浆或专用灌浆材料。当地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。用水泥基料灌浆回填。1 1 徐伟等徐

26、伟等.地源热泵工程技术指南地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，2001.112001.112 2 谢汝镛谢汝镛.地源热泵系统的设计地源热泵系统的设计.现代空调，现代空调，2001.32001.3：333374743 3 肖益民等肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例。地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例。.现代空现代空调，调，2001.32001.3：8888100100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，国内有目前，国内有近百个地源热近百个地源热

27、泵品牌，泵品牌，2008年销售额超过年销售额超过亿元的仅三家：亿元的仅三家：克莱门特、富克莱门特、富尔达尔达、清华同清华同方。方。克莱门特所占市场份额最大。其工厂在上海星火开发区，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。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南京朗诗国际街区 工程面积：30万万m2。一期。一期10万万m2已建成已建成投入使用；二期投入使用

28、；二期7.5万万m2地源热泵机组已地源热泵机组已到位；三期到位；三期12.5万万m2。一期情况：结合顶棚辐射系统和置换新风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系统使用。顶棚辐射系统夏季供回水温度18/20，冬季，冬季28/26；置换新风系统夏；置换新风系统夏季供回水温度季供回水温度7/12，冬季，冬季35/30。机组配置：两台克莱门特两台克莱门特PSRHH1002地地源热泵机组为顶棚辐射系统提供冷热量；源热泵机组为顶棚辐射系统提供冷热量；两台两台FOCS WATER HR3602为置换新风系为置换新风系统提供冷热量。统提供冷热量。当代万国城北区当代万国城北区（北京第一个建筑物下面埋置土壤换热器的项目）（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位置：北京市海淀区东直门项目简介：总建筑面积约项目简介：总建筑面积约2222万平米万平米影响力：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地源热泵系统地埋施工现场