地能热泵系统的设计(二)

六、正式方案设计

在以上五步的基础上，复核所有的输入参数，并与甲方沟通确认，才开始正式的方案确定，并设计整个系统。确定大地换热器和地能热泵系统，并确定关键的工艺参数。

空调所徐伟曾编译过美国供暖制冷空调工程师学会编著的《地源热泵工程技术指南》，瑞典Eskilson教授开发的Earth Energy Designer 软件，都可以作为设计的参考和工具。

3、地能热泵系统设计的一些关键问题

对于地能热泵系统设计，根据对前期地埋管系统的应用实例调研，发现不同系统运行效果差异很大，为总结比较不同系统的优缺点，更好地优化系统，发挥地能热泵节能高效的特点，对其中一些关键的设计问题，特分别阐述如下：

3．1 换热器型式的选择。

从理论上讲，大地换热器，可以采用水平埋管、垂直埋管和在江河湖海中浸泡的形式，而对于每种形式，又有不同的具体形式，比如垂直埋管就有单U、双U、三U，套管等多种形式。每种形式都有其特点和优点。

但从工程应用的角度看，在我国北方地区的应用中，采用单U和双U证明是比较适合的形式。而其中主流是选用PE80或PE100级的HDPE管材，一般选用管材直径为DN32，这主要是由于一方面该管径系列相配套的专用管件比较丰富，另一方面，该管可满足设计的换热量要求和强度要求。DN25的管材在应用中曾发现强度不足的现象。

而对于设计的钻孔深度，实际的应用中，从50米到160米都有，但需要指出，并不是钻孔深度越深越好。而确定合理优化的深度，除了地层的考虑外还特别需要考虑到管间的相互影响和每个单路的温差设计。一般对于双U系统，采用5度温差，理想的深度为100米左右。

至于不同孔之间的间距，需根据热影响确定，一般不应小于4米。

3．2 换热器水平管路的联接方式。

换热器水平管路的联结方式，往往是设计忽略的一个方面，但事实上，由于水平联结设计不合理，导致管内流速分布不均，已经造成一些系统运行的失效。特别对于大型系统，水平联结就更为关键。

北京地区的一些项目，初始设计采用异程设计，导致不同回路，水流严重不均匀，最后必须依靠流量调节阀来平衡各路的水流量。但对于单个竖埋回路，则基本无法调整。根据计算模拟，水流速变动最多可使换热器能力衰减20-25%。
水平联结的基本方式有同程式、异程式和类集分水器型。

同程式联结如图一，其优点是节约管材，降低施工成本，但由于其无法避免不同回路水流不均匀的问题，所以对于大型的系统设计，甚至可能导致某些回路换热能力损失20-25%，所以对于超过10孔的联结，不推荐使用同程联结。
异程式联结如图二，其通过保证各回路的流程相同，解决了各回路的水流平衡，但对于地埋系统，其增加了每个回路的流程，也导致整体的压降增加。目前，是主流的地埋系统水平联结方式。
类集分水器型式如图三，其基本原理是将水平管改为集分水器的形式。这种模式一方面可以保证系统分配均匀，降低回路系统的压力降，并且可以降低回路设计水温差。



根据北京中创动力的设计经验，采用类集分水器型式的水平连接，可以很好地实现系统的水力平衡并降低水泵功耗。如北京某项目采用第一种方式联结，70个孔的系统，水泵设计功耗为55KW，实际运行出现水流不均， 达不到设计能力,增加流量平衡阀后，系统改善,但水流进出的压力差高达0.3MPa。而天津类似项目采用第三种方式联结，100个孔的系统，水泵设计功耗为30KW，系统运行良好，实际运行进出水压力差为0.1MPa。

3．3 换热器设计采用大流量小温差

对于大地换热器设计，在基本管材参数和分布形式确定后，最为关键的就是流速流量的设计。大地换热器设计应采用大流量小温差的设计理念，根据传热学的基本要求，最小流速需要保证雷诺数大于2300。而设计的温差，最好保证在3-5度。地埋系统不同于打井的系统，由于不取地下水，所以不应采用小流量大温差的水源热泵系统设计。

采用大流量小温差的方式，具有以下的优点：一是可以提高提高机组的效率，无论制冷或制热，采用大流量小温差，都可以改善机组的工作工况，在夏季，可以降低冷凝温度，而 冬季，可以提高蒸发温度。二是可以提高换热效率，采用大流量设计，可以提高单个换热回路的整体换热能力。三是可以选择更深的孔深，由于温差小，则减少管间影响，可以应用更深的孔。四、可以更好地发挥各单回路的换热能力。由于水量大，保证各回路水温的均匀，不会因为混水而降低各回路能力。

但应用大流量系统设计，为防止泵耗增加，必须配合好的水平联结。

3．4 机组选择

根据上面的介绍，对于地能热泵主机，必须配合整个系统的要求。建议采用专门设计的地能热泵机组。对于水环热泵方式的机组，必须能在低水温工作，可以按照美国ARI标准来选择。或参照国外的产品样本进行选型。

而对于水水系统，则应选择小温差的定制机组。目前，市场上的