地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)大部分，即建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和地源熱泵系統(tǒng)的地下部分設(shè)計(jì)。前者已有比較成熟的技術(shù)，而地下埋管的換熱器、地表水系統(tǒng)的換熱器以及地下水系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)還不夠規(guī)范。但兩部分之間又相互關(guān)聯(lián)，如建筑物的供冷、供熱負(fù)荷，水源熱泵的選型，進(jìn)水溫度（EWT），性能系數(shù)（COP）都與地下部分換熱器的結(jié)構(gòu)、性能有密切的關(guān)系。

 

  【一】基礎(chǔ)資料

 

  地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料除了與一般空調(diào)系統(tǒng)相同之外，還必須具備以下資料。

 

  ①項(xiàng)目實(shí)施區(qū)的范圍、現(xiàn)有和規(guī)劃中的建筑物、樹木和其他地面設(shè)施、自然或人造地表水資源的類型和范圍、現(xiàn)有水井及其腐蝕狀況、附屬建筑物和地下服務(wù)設(shè)施。

 

  ②有關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)和地表水基礎(chǔ)資料。

 

  ③地下水系統(tǒng)試驗(yàn)井的基礎(chǔ)資料。一般要求2700m2的建筑物布置一個(gè)試驗(yàn)井，較大的建筑物布置兩個(gè)試驗(yàn)井，以了解地下水資源狀況。

 

  ④垂直埋管系統(tǒng)試驗(yàn)孔的基礎(chǔ)資料，為設(shè)計(jì)和安裝垂直埋管系統(tǒng)提供依據(jù)。要求2700㎡以下面積的建筑物布置一個(gè)試驗(yàn)孔，較大面積的建筑物布置2個(gè)孔，孔徑為DN50，孔深應(yīng)大于計(jì)劃埋管最深度17m。

 

  ⑤水平埋管系統(tǒng)試驗(yàn)坑的基礎(chǔ)資料，為水平埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，推薦10000㎡場(chǎng)地至少挖兩條坑，深度應(yīng)大于計(jì)劃埋管深度1m以上。

 

  ⑧監(jiān)測(cè)井所觀測(cè)的地溫和地下水溫度、水位和水質(zhì)的變化等方面的資料。

 

  【二】空調(diào)制冷和供熱的負(fù)荷

 

  地源熱泵系統(tǒng)的空調(diào)制冷和供熱負(fù)荷的計(jì)算和一般的空調(diào)系統(tǒng)基本是一樣的，但又有不同之處，應(yīng)加以注意。使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能更符合實(shí)際，以達(dá)到節(jié)約能源和投資的目的。

 

  ①計(jì)算分區(qū)負(fù)荷：應(yīng)按不同區(qū)域計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，然后選擇不同的水源熱泵機(jī)組，以便滿足不同功能的要求。

 

  ②計(jì)算制冷和供熱高峰負(fù)荷，作為埋管換熱器或井水用量設(shè)計(jì)的依據(jù)：這兩個(gè)高峰負(fù)荷根據(jù)建筑物功能的不同可能發(fā)生在不同的時(shí)間，一般制冷高峰負(fù)荷多在白天，供熱高峰負(fù)荷多發(fā)生在夜間。

 

  ③平均負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果直接影響工程的造價(jià)，考慮地下工程的永久性，建議采用負(fù)荷計(jì)算軟件，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。

 

  ④總耗能量的計(jì)算：美國(guó)現(xiàn)在采用三種計(jì)算方法一度日法(Degree days)、 Bin法和Hour by hour法。國(guó)內(nèi)目前進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)全年總耗能量計(jì)算還很少，計(jì)算方法也不夠成熟。

 

  ⑤地下負(fù)荷的計(jì)算：夏季制冷排入地下的熱負(fù)荷，它等于高峰總負(fù)荷×（1+1/COP)：冬季供熱向地下取出的熱負(fù)荷，即在夏季排入地下的供冷負(fù)荷，以及在冬季向地下取出的供熱負(fù)荷，它等于是高峰總負(fù)荷×（1-1/COP），其中COP是機(jī)組制冷性能系數(shù)，其中COP是機(jī)組供熱性能系數(shù)。

 

  【三】室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

  目前國(guó)內(nèi)已有不少有自主產(chǎn)權(quán)的水源熱泵生產(chǎn)廠商，如富爾達(dá)、中科能、東宇等，但至今缺少統(tǒng)一的水源熱泵標(biāo)準(zhǔn)，大多仍借鑒美國(guó)制冷學(xué)會(huì)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

  根據(jù)各區(qū)的冷熱負(fù)荷和工廠提供的資料就可以初步選定各種性能數(shù)據(jù)的水源熱泵機(jī)組。一般地源熱泵機(jī)組有整體式和分體式兩種，整體式機(jī)組制冷劑充注量少，環(huán)路密封性好，減少了現(xiàn)場(chǎng)充注和連接不良而引起的制冷劑泄漏和運(yùn)行不良問題。而且有吊頂式、立式等多種形式，很容易與建筑裝修相配合。分體式僅適用于對(duì)安裝有特殊要求的情況。

 

  地源熱泵的室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)與普通空調(diào)系統(tǒng)相似，可以選擇風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、全空氣系統(tǒng)、地板采暖等多種方式，能滿足用戶多樣化的需要。

 

  【四】埋管式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

  埋管式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要就是埋管換熱器的設(shè)計(jì)，它包括換熱器的長(zhǎng)度和布置方式的確定，以及環(huán)路循環(huán)泵的選擇。

 

  1.埋管換熱器的形式

 

  埋管換熱器有垂直埋管和水平埋管兩種形式，主要取決于場(chǎng)地大小、巖土類型及挖掘成本。水平埋管換熱器有水平單管、水平雙管、水平四管、水平六管以及新開發(fā)的水平螺旋狀和扁平曲線狀管等；垂直埋管換熱器有單U形管、雙U形管、小直徑螺旋盤管、大直徑的螺旋盤管、套管等，目前應(yīng)用最為廣泛的是單U形管。

 

  埋管換熱器中流體的流動(dòng)路線分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)系統(tǒng)僅有一條流動(dòng)路線，而并聯(lián)系統(tǒng)流體具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的循環(huán)路線。兩種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但采用并聯(lián)方式或混合(串聯(lián)+并聯(lián))方式較多。

 

  2.埋管材料的選擇

 

  目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材。這些材料可以彎曲或熱熔形成不同的形狀，并保證使用壽命50年以上。PVC管不能作為埋管換熱器。

 

  3.埋管換熱器直徑和長(zhǎng)度的確定

 

  埋管直徑的選擇應(yīng)從兩方面考慮:大管徑可減小循環(huán)泵功耗，但埋管投資高，所需防凍液多；小管徑能使管內(nèi)流體處于紊流狀態(tài)，流體與管內(nèi)壁之間的換熱效果好，但處理和安裝的難度大。埋管換熱器的管徑一般采用20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)路常用小直徑管，集管用大直徑管。

 

  埋管換熱器的傳熱量與當(dāng)?shù)貛r土的溫度和熱物性、埋管的形式、熱泵運(yùn)行時(shí)間等多種因素有關(guān)。因此換熱器的長(zhǎng)度不能只由室內(nèi)瞬時(shí)負(fù)荷來確定。關(guān)于換熱器長(zhǎng)度的計(jì)算可查閱國(guó)內(nèi)外一些地源熱泵設(shè)計(jì)手冊(cè)，還有一些這方面的專用軟件可供選用。

 

  4.閉式環(huán)路循環(huán)泵的選擇

 

  循環(huán)泵的選擇包括泵的流量和壓力兩方面，使埋管換熱器及熱泵換熱器具有較高的傳熱效率，而且消耗功率較低。

 

  環(huán)路的流量與熱泵換熱器的負(fù)荷及熱泵進(jìn)、出口介質(zhì)溫差有關(guān)。

 

  當(dāng)熱泵的負(fù)荷一定時(shí)，循環(huán)流量主要與熱泵進(jìn)、出口介質(zhì)的溫差及流體的比熱容、密度有關(guān)。對(duì)于冷(熱)負(fù)荷為1kW的熱泵，當(dāng)流量大于1.92m3/h時(shí)，熱泵系統(tǒng)的效率不再提高，而泵的功率去口急劇增大。因此，冷(熱)負(fù)荷為1kW的熱泵建議環(huán)路流量為1.62-1.92m3/h。在制冷模式時(shí)，采用上限值；在供熱模式時(shí)，流量應(yīng)等于或小于制冷模式的流量。

 

  循環(huán)泵的揚(yáng)程由環(huán)路的阻力損失來確定，而且環(huán)路阻力損失直接影響循環(huán)泵的耗功量。循環(huán)泵的耗功量主要由環(huán)路的流量所決定。當(dāng)循環(huán)泵的效率和環(huán)路流量一定時(shí)，耗功量與循環(huán)介質(zhì)的容重及環(huán)路的阻力系數(shù)有關(guān)。

 

  【五】地下水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

  地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)步驟。

 

  1.收集資料

 

  試驗(yàn)井的水量和水質(zhì)觀測(cè)資料，以及有關(guān)的水文地質(zhì)資料。

 

  2.地下水總需求量的計(jì)算

 

  冬季和夏季系統(tǒng)對(duì)地下水的需求量與水源熱泵性能、地下水溫度、建筑物內(nèi)循環(huán)溫度和冷熱負(fù)荷以及熱交換器的類型有關(guān)。

 

  3.確定地下水井的數(shù)量和位置

 

  根據(jù)試驗(yàn)井的試驗(yàn)結(jié)果，確定每口井的出水量。然后根據(jù)上述所計(jì)算的地下水總需求量確定井的數(shù)量，并布置井位。

 

  4.管道的布置

 

  根據(jù)井位布置和各井之間的管線及其與建筑物聯(lián)結(jié)的總管線，就可選擇管徑和計(jì)算管道系統(tǒng)的壓力降。

 

  5.換熱器的選擇

 

  對(duì)于間接供水系統(tǒng)，可根據(jù)地下水總需求量、建筑物內(nèi)循環(huán)水量和地下水溫度、建筑物內(nèi)循環(huán)水溫來選擇換熱器，常用的換熱器為板式換熱器。

 

  6.地下水源熱泵系統(tǒng)中地下水回水的處理

 

  為避免地面沉降、保護(hù)環(huán)境和水源，回水的處理是十分重要的。一般可采用地表排放和地下回灌兩種方式。采用地表排放方式時(shí)，附近必須有合適的地表水體(江、河、湖、塘)。但最理想的辦法還是系統(tǒng)中設(shè)有專門的回灌井，并形成封閉的地下水循環(huán)系統(tǒng)。

 

  【六】地表水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

  地表水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是換熱器的設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用開放式地表水源熱泵系統(tǒng)比較多，其設(shè)計(jì)過程與地下水源熱泵系統(tǒng)類似，具體設(shè)計(jì)方法可參考相關(guān)手冊(cè)。而封閉式環(huán)路地表水源熱泵系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)目前尚未采用。在地表水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

 

  ①測(cè)定地表水體不同深度處溫度變化是地表水源熱泵設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要工作。

 

  ②對(duì)于封閉式環(huán)路，管道材料一般采用高密度聚乙烯管(HDPE)或銅管。管子宜繞成盤形。

 

  ③由于冬季地表水溫較低，一般循環(huán)水中要用防凍液，常用的防凍液有氯化鈣、丙烯乙二醇、酒精、甲醛等，也可參考有關(guān)文獻(xiàn)資料。