地源热泵系统优化设计

地源热泵系统优化设计

—降低地源热泵系统初投资的有效途径

张俊巧 北京诚信能环科技有限公司 100031

摘要：本文从地源热泵项目的特殊性出发，结合地源热泵工程实例，分析地源热泵系统初投资高的根本原因，并从地源热泵工程实施的各个具体环节深挖降低初投资的可能性，从项目初期地质勘查，中期系统形式的选择、埋管方案的制定，后期施工质量管理以及运行策略的控制方面进行严格分析，做到既控制了工程成本，又保证地源热泵系统的运行效果，充分体现了地源热泵系统的可行性、经济性，是真正意义上的系统优化。

关键词：地源热泵 系统优化

1．前言

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（土壤）的高效节能供暖空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位能向高品位能的转移。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的高品位能（如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源，而其所耗能量的作用是在冬季吸收低品热源（土壤）中的热能、在夏季向高品位热源（土壤）释放热量。能流关系如图1-1所示：

图1-1 地源热泵能流关系图 消耗的电能 1kW (25%) 热泵机组 性能系数

COP=4供热量4kW

(100%) 吸收的土壤热量 3kW (75%)

（免费的自然能源）

地源热泵系统使用大自然中大量可重复利用的能源，产生100%的可利用的热能，仅需要25%的电能，其他75%的能量来自大自然中免费的可再生能源，不仅节能，而且环保效益显著。

地源热泵属于利用浅层地能的新型能源利用方式，具有高效节能，运行费

用低、利用可再生能源，环保效益好等显著优势，因此在能源日益紧张、环保

要求逐渐提高的主导形势下，地源热泵供暖、制冷系统越来越受到青睐。但是

到目前为止，地源热泵供暖、制冷系统仍没有成为行业主流，究其原因，主要

是其初投资较高，尤其是在地源热泵系统设计不合理的情况下，地源热泵室外

埋管费用可能占到整个系统初投资的50%以上，迫于资金限制，大多对地源热

泵感兴趣的投资者不得不转回到传统的空调形式，从而限制地源热泵系统的发展。

2．地源热泵系统初投资高的主要原因

地源热泵系统初投资一般较常规供暖、制冷系统高，一方面有其客观原因，另一方面有主观因素存在，在实际的地源热泵系统工程中，初投资高有一大部分是由主观因素引起的，是可以通过技术改进和施工管理避免的。总结地源热泵系统初投资高的主要原因有以下几方面：

2.1预算定额不完善

地源热泵系统主要由水源热泵机组、地热能交换系统（室外埋管系统）、建筑物内系统组成，其中水源热泵机组、建筑物内系统均有比较成熟的预算定额，而室外埋管系统却没有可参考的预算定额，目前这部分的投资预算大多以实际工程经验为参考，对于同一工程各单位的报价差距较大，但却很难判断其报价的合理性，这也是限制地源热泵发展的一方面原因。

2.2现场勘查不详细

现场勘查在地源热泵系统设计施工中是最重要的一个的环节，现场勘查的结果是判断地源热泵系统的经济性的主要依据，同时现场勘查的仔细与否是影响地源热系统初投资的主要原因之一。现场勘查主要有量方面的含义，一是现场状况的调查，二是地质勘查。现场状况调查主要包括以下内容：

z场地规划面积、形状及坡度

z场地内已有建筑和规划建筑物的占地面积及其分布

z场地内树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电缆的分布

z场地内已有的、规划修建的地下管线和地下构筑物的分布及埋深通过现场状况的勘查，初步确定工程是否适宜采用地源热泵系统并为将来地源热泵室外埋管设计提供了基本条件。

地质勘查主要包括下列内容：

z岩土层的结构

z岩土体的热物性

z岩土体的温度

z地下水静水位、水温、水质及分布

z地下水径流方向、速度

z冻土层厚度

地质勘查的主要目的是确定地下换热器每延米的换热量以及地源孔施工的难易程度，从而确定地下换热器的大小、地源热泵系统室外埋管部分的施工工艺及预期工期。

如果现场情况调查不清楚，就可能会给设计以及将来施工带来困难，以往实验表明，地下换热器单位孔深的换热量为40~70W/m【1】【2】，范围较大，为规避风险，一般设计会根据经验取最不利工况设计，地下换热器总长度设计过大，由此引起的材料费和安装费用较高，导致地源热泵系统初投资将明显高于其它空调系统。

2.3施工管理不严格

因为地下换热器与土壤之间的换热主要依靠地埋管和土壤之间的导热，地源热泵室外埋管施工工艺和施工管理的质量直接影响地下换热器的运行性能，因此地源热泵系统设计需要考虑施工管理水平。

地源热泵技术在我国的应用发展还处于起步阶段，相应的规范、标准还不健全，施工工艺及施工管理还比较混乱，地源热泵室外埋管系统的施工水平参差不齐，钻孔、下管、回填等关键工序的施工工艺和管理方法不能保证系统的高效性，从而，地源热泵系统设计保留较大的余量，这也是造成地源热泵系统初投资高的原因之一。

3．降低除投资的主要途径——地源热泵系统优化设计我公司通过大量的实际工程实践，摸索出了一套地源热泵系统设计和施工管理的方法，能够最大程度提高地源热泵系统的性能、降低地源热泵系统的成本，现总结如下：

3.1全面的现场勘查

现场勘查是系统设计的第一步，现场勘查一定要细，只有对现场情况有了比较细致的了解，才能设计出最优的地源热泵系统方案。

我公司对地源热泵系统工程现场的勘查主要采取“看、问、查、测”四步骤。看，即现场实地查看，对工程现场已有建筑、树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电缆等面积及分布仔细查看；问，对于工程规划情况、地下管线情况直接询问知情认识，获得第一手材料；对于工程有设计规划图纸的，可进行下一步的现场勘查——查，对照图纸，结合看、问，对现场已有和规划情况了解清楚，初步确定该工程是否适合采取地源热泵供暖、制冷。若初步勘查确定工程适合采

用地源地源热泵，则需要进一步勘查——测，就是在施工现场选择典型的位置打1-2个测试孔，取得原始地质资料。

通过打测试孔，可以测试地源孔每延米的实际换热量（包括取热量和排热量），从而根据负荷再适当考虑管群影响确定地下换热器的总长度，相对于不打测试孔而直接按照最不利工况设计地下换热器，根据测试结果不同，精确测试后设计的地下换热器总长度能够减少20％-40％不等，相应的地源热泵室外埋管部分的初投资能够下降20％-40％，可以说根据测试数据设计地下换热器是降低地源热泵系统初投资的关键。

3.2 合理的系统形式设计

3.2.1冷热平衡计算

地源热泵系统较常规空调运行性能高，主要原因是地源热泵的冷热源（土壤）的温度恒定且相对于空气温度冬季较高、夏季较低，因此保持土壤温度恒定是维持地源热泵系统高性能运行的有力保证。

地源热泵系统投入运行后，冬季供暖时从地下提取热量，夏季制冷时向土壤排放热量，若地下换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷量）就会在地下积累，引起地下土壤年平均温度的变化![3]土壤温度的变化将导致地源热泵系统运行性能逐年下降，同时破坏了土壤的生物环境，其节能环保效益下降。为满足常年使用性能，在相同的设计条件下，埋管总长度随着冷热负荷比增大和地热换热器运行时间的延长而增加【4】，从而系统投资增加。为避免冷热量不平衡现象的发生，降低系统初投资，在设计初期需要结合工程的冷热负荷以及地源热泵系统预期全年运行情况，精确计算地源热泵系统全年的取热量和排热量，若差距较大，可采取其它辅助冷热源进行补充，投运后再根据实际情况调控地下换热器和辅助冷热源的运行情况。根据工程冷热差距的不同，采取辅助冷热源的系统设计方式可以降低地源热泵系统除投资约10%～20%。

3.2.2埋管形式

地下换热器的主要形式有U型管和套管两种形式，其各自特点如下：

套管增大了介质与土壤之间的换热面积，换热效果好，但内腔与外腔内流体发生热交换会带来热损失，另外套管的密封比较困难，目前再国内应用较少。U 型管介质在管内流动，受管径限制流量小，总换热效果稍差，但U型管有专用的管接头，且管接头的与U型管的连接采用热熔焊接，密封性较好。

图3-1 U型管 图3-2 套管

由于地下换热器一旦埋入地下，几乎不可维修，因而对系统安全性要求较高。因此国内地源热泵系统多采用U型管式。

根据一个地源孔中放置U型管的数量不同，U型管式地下换热器又分为单U管和双U管两种形式，如图所示：

图3-3 单U管和双U管

双U管与土壤的接触面积相对较大，因此无论是夏季排热工况还是冬季取热工况,均比单U管单位孔深换热量稍高【5】，因此对于相同的冷热负荷，采取双U型管埋管方式可以减少地源孔的钻孔总深度，钻孔费用下降，但同时管材费用成倍增加，管材价格和钻孔价格共同决定采用哪种埋管方式更经济。在现场条件允许的情况下，我公司利用自己编制的软件计算出各中价格水平下最经济的埋管方式。根据工程现场地质状况何管材时价不同，采取该系统设计方式可以降低地源热泵系统除投资约5%～10%。

3.2.3埋管深度

在埋管总长度和埋管形式确定的情况，如何确定单孔的埋管深度也是系统设计的关键步骤。土壤中的热量一部分来自太阳能，绝大部分来自地心热量，土壤温度随着深度增加而升高，深度每增加100米，土壤温度升高约3℃，因此单从提高地下换热器的换热性能角度考虑，埋管深度越深越好。但是埋管深度增加，其单位埋深的成本也上升。一方面钻孔到深度超过120米，钻孔必须使用专用的钻头，与一般浅孔钻孔设备不同，设备的价格高，钻孔成本上高；另一方面，目前国内生产的地下换热器用管材承压能力有限，若埋管深度超过120米，埋管就必须采用进口管材，而进口管材的价格几乎是国产管材价格的2倍，由此使得埋管造价升高。由以上两方面的原因，设计单孔埋深不宜超过120米，实际工程中，单孔孔深的设计还要结合地质勘察结果。根据工程现场地质状况不同，设计适当的埋孔可以降低地源热泵系统除投资约10%～20%，不仅如此，对于特殊的地质状况，埋管深度可能是决定地源热泵系统方案是否可行的关键因素。

3.2.4地下换热器系统连接方式

对于大型的地下换热器，系统设计是否合理，对于换热器的性能与整体造价都至关重要。影响大型地下换热器性能的难点主要是水利平衡，目前解决办法主要有两种，一是在系统管路异程连接+平衡阀，二是设计同程连接，原理图如下：

图3-1异程连接图3-2同程连接

同程连接的效果一般优于异程+平衡阀，但对于系统较大地源热泵系统，若完全采用同程连接，其管材以及井小室的数量大大增加，系统造价升高，为在保证地源热泵使用性能的前提下控制成本，我公司一般采用局部同程或异程+平衡阀的方式，实践证明，使用该原则设计的地下换热器系统性能良好，造价比全部同程连接降低10%～15%。

3.3 先进的施工工艺和严格的施工管理

因为地下换热器一但埋入地下，几乎不可能再进行维护修理，因此地源热泵室外埋管的施工必须依靠先进的施工工艺和严格的施工管理将风险控制在发生前。我公司根据多年的施工经验结合《地源热泵系统工程施工规范》探索出一套比较完善的施工工艺流程和施工管理方法，保证地源热泵系统安全、高效。

首先，把好管材的质量关。从管材的选择到设备进厂检验均执行严格的检验制度，所有管材、管接头必须有产品合格证、厂家资质证明、进厂设备检验合格证等。

其次，在施工过程中严格执行水压试验。由于地源热泵在我国的发展应用较晚，这方面相应的规范、标准还不健全，虽然在2005年初发行了《地源热泵系统工程施工规范》，但其中的水压试验步骤预防方法可操作性还比较差，我公司根据实际工程经验，探索出了分别在下管前、下管后回填前、水平连管后、整体源热泵系统连接完毕后进行水压试验的方法和步骤，分别用于管材质量和系统连接严密性的检验，保证系统的质量和安全。

再次，采用专用的管接头和焊接工艺，保证地埋管的密封性，并减小了地下换热器中的水力损失。

另外，在其他条件相同的情况下，回填料的成份和回填工艺的优劣也是影响地源热泵地下换热器性能的主要因素。对于不同的工程，我公司根据地址勘查的结果选择合适的回填料和回填料成份配比，并采用泥浆泵打压回填的方法，保证地源孔被回填料完全充满，从而保证地下换热器的换热效果。

通过以上地源热泵施工质量控制，在保证地下换热器的性能同时，能够提高地源热泵系统的成孔率，减少地源热泵施工过程中的，降低成本。

4．小结

通过综合提高从地质勘查、系统设计到工程施工各方面的质量，地源热泵系统设计总体成本可以下降20%～40%。本文是在工程实践中得出的经验总结，在工程中还未进行全面应用，但对于以后地源热泵系统的设计和施工具有一定的指导意义。

参考文献：

【1】 李元旦张旭周亚素陈沛霖，土壤源热泵冬季工况运行特性的实验研究，暖通空调HV&AC专题研讨 17-20

【2】 李新国薛玉伟赵军，不同方式地下埋管换热器的实验研究，制冷学报2004年第2期 39-42

【3】 曾和义刁乃仁方肇洪，竖直埋管地热换热器的稳态温度场分析，山东建筑工程学院学报2006，17（1）：1-6

【4】 李琴云刁乃仁方肇洪，竖直埋管地热换热器的设计，可再生能源 2004.1（总第 113期） 41-44

【5】 李新国薛玉伟赵军，不同方式地下埋管换热器的实验研究，5制冷学报62004年第2期 39-42