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1、地源热泵设计应用手册0 序言国家大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源地源能的发展利用，相继出台了一系列法规和政策。中华人民共和国节约能源法第4条规定：“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”，而地源热泵所使用的地源能正是属于可再生能源。建设部民用建筑节能管理规定第 4条规定：“国家鼓励发展太阳能、地热等可再生能源的应用技术和设备”。国家经贸委20002015年新能源和可再生能源产业发展规划要点指出：“加快地源热泵技术的引进和发、加速国产化。要大力开拓地热采暖市场，到 2005、 2010、 2015年地热采暖面积分别达到 1500 万、 2250 万 3000 万平方米。要积极推动地热的综合利用
2、”。夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JG1342001, J116 2001）第6.0.7条：“具备可供地热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。”建设部建设节能“十五”计划纲要中明确指出“十五”期间建筑节能工作的重点之一是：“大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中利用的工作”。建设部建设节能“十五”计划纲要中列出的 18项拟重点开展的科技项目其中的第 13项指出：“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。国家发展改革委办公厅2005 年关于组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专项的通知 （发改办高技2005509 号）中专项的主要内容第（三
3、）项列出“太阳能供热和地源热泵供热（制冷） 。开展新型太阳能热水器和地源热泵系统产业化。包括高可靠性新型真空管集热器、大面积中高温太阳能热水系统、全天候太阳能热水系统、高效地源热泵及其配套系统。” 2005 年 11 月 30 日，中华人民共和国国家标准GB 50366 2005 地源热泵系统工程技术规范发布。根据国家公共建筑节能设计标准GB501892005.5.3.11: “对有较大内区且常年有稳定的大量余热的办公、商业等建筑，宜采用水环热泵空气调节系统。”水源热泵系统能分为两个不同部分室内侧和水源侧。热泵机组实现了冷量在系统两侧来回传递。当系统两侧适当平衡时，水源热泵会自动提供给家庭供热
4、和供冷，进而舒适地年运行。然而，如果系统不平衡就可能产生问题。所以设计和安装水源热泵的人，应该了解系统的两侧，并实现他们之间的适当平衡。本手册就是为读者提供熟悉整个基础以及特别充分了解一个水源热泵系统选择、设计和安装的所需资料。我们开始先由系统的水侧来讨论。1、 井水1.1 系统的水源侧1.1.1 水质在设计井水系统中,水质是一个最重要的考虑。以下是必须考虑的3 个基本要素：1）可开采量2）地下水温度3）洁净度这些水质要素不仅在选择的供水源时必须考虑，而且在决定合适的水处理方法时也是必要的。供水水质： 可开采量供水水质最重要的要素是可开采量，要求有足够的水流量才能保证系统的正常运行。在Sol-
5、A-Terra（SA T I & n ）技术通报上已规定了各种规格热泵系统所需的特定水量.亦可用如下经验规则估计所需水量：SAT I系统每12000Btu/H（3023 kal,约1rt）制冷量需3GPM（gal/min）水量。SATn系统每12000Btu/H制冷量需求 2 GPM。所以，首先确定 系统总制冷量，然后估计系统平衡所需的总水量（ GPM ） ，接着咨询当地钻井商以确定水量是否可从地下得到。当地有资质的钻井商名单可以由国家水井协会（ NWWA ）或当地 Mammoth 分部得到。一旦有资质的钻井商确定有足够水量,则可继续进行水井系统和设计（参见本手册 1.1.2 和 1.1.3
6、节） 。如果无法提供所需水量则可采用地下耦合系统、地热井或蓄水池系统（参见本手册有关章节） 。 地下水温度水源温度是供应水质的另一个要素。水温是水中所含热能总量的量度，直接影响热泵机组的换热能力。通过调节热泵机组的水量，可增加（或减少）供热量及供冷量。特定的供冷供热负荷和水源温度确定后，即可根据Sol-A-Terra 技术通报，确定系统运行所需的特定流量。洁净度供水水质要考虑的决定因素是水的洁净度。任何水都含有一定杂质。这些杂质有可能会影响热泵系统的性能。由于水源热泵通常采用未经处理的井水，常规是如果未经处理的井水是可以饮用的，那么它就可以用于热泵系统。当然，水必须分离出砂和其他颗粒物体，以防
7、止磨损热交换器和堵塞阀门。因此， Mammoth 建议在供水管路中 采用过滤器。回灌水水质通过水源热泵机组后的水必须进行处理。同时，要采取措施将处理后的水回灌到取水层。通常的做法是直接把使用过的水直接进行回灌，因此称之“回灌水”。供水水质三要素：水量、水温和纯净度同样应用到回灌水。在系统的回灌侧，我们必须重视回灌水的洁净度。毕竟，基本纯净的水是从蓄水层抽出的，从这里抽出的其他水是饮用或煮食之用。采用 SAT 水源热泵系统，回流到蓄水层的水是安全和清洁的，像从蓄水层出来一样。这些水的处理，没有卫生健康问题。因为这些水在管道压力下流过热泵系统，未曾接触空气或制冷剂。仅有的变化是水温的变化，约515
8、oF,若带水进出热泵机组的管道破裂，其结果是水的漏失，不会危害健康。如果水制冷剂换热器中的管道损坏，则制冷剂（R22 ）主制冷剂润滑油可能进入回水中。然而这些污染物不会产生健康危害。制冷润滑油（每台机组350ppm（硬度）（25 粒/gal） 低高于海水氧化铁高腐蚀PH7957 和 810硫化氢10ppm1015 ppm二氧化碳50ppm5075 ppm溶解氧仅与压力水罐所有系统氯化物300ppm300600ppm总溶解固体1000ppm10001500 ppm生物增长铁细菌低高悬浮固体低高注：如果腐蚀物浓度超过在铜馍合金表列的最大值，则可能引发严重的腐蚀，需进行水处理污垢污垢是由于含在水中的
9、矿物质沉淀而从溶液中析出，并在管道和阀门内表面累 积的过程。污垢形成，传热效率减少，水阻力增加，从而减少系统的水流量。如果 忽视氧化问题，污垢最终会阻塞系统。形成污垢的矿物质，通常出现在井水里。这些矿物质被二氧化碳“锁”在溶液中。 如果水温突然升高或水压突然下降，悬浮的矿物质即从溶液中分离出来，形成碳酸 垢。所以，防止结垢的第一步是保持所有水管路的压力。采用在排出管（回水管） 上装设电磁阀和调节阀来保持压力。此外，Mammoth建议，采用慢关闭电磁阀避免压力突降。防止污垢的第二步是在热泵制冷工况时限制水温上升水于20午（11C）,通过增加流量来限制水温上升。当热泵在供热工况下，氧化结垢是不太可
10、能发生的。腐蚀腐蚀中管道和阀门被在水中的悬浮化合物腐蚀或溶解的过程。多数地下水没有较 高的腐蚀性（见表I）。然而，一旦腐蚀出现，不排除的话，将会导致整个水管路系 统腐蚀损坏。防止腐蚀的第一步是在热泵系统中采用PVC或聚丁烯（polybutylene）材料。管道配件也须是防腐蚀的。应采用 PVC阀门，因为黄铜会被腐蚀。另一种常见的腐蚀被称为电偶腐蚀。不同金属混合在水系统中而发生。为了避免 电偶腐蚀的发生，不要采用铸铁或镀锌的钢管及配件。允许用的材料是：铜、 PVC 、 聚丁烯、聚炳烯和橡胶。 铁锈铁锈是由一种棕褐色的糊状沉淀物沉集而成，是由铁细菌所致，与氧化垢一样能有效堵塞水系统的物质。保持水压
11、并避免与空气接触可以抑制铁锈细菌的生长。然而，如果铁锈细菌在水中出现，就会形成沉淀物，需要用酸性氯溶液（ acid-chlorine ）定期清洗。因此，尽量采用铜镍合金水盘管，虽然这样不会减少铁细菌的生长，但是能使换热器达到最大使用寿命。1.1.2 井水供应井水或地下水可在地下砂、砾石和岩石之间的空隙地方找到。一般，在任何地方都有地下水，但它们的深度、质量、温度和相对纯度，差异非常大。这些参数对井水源热泵系统的选择、规模确定和安装非常重要（详见本手册 1.1.1 节供水水质） .应向当地钻井商咨询地下水情况。1） 水井的种类水井有 3 种基本类型，其中任何一种都有可能适合或不适合你所在地的热泵
12、系统。要决定哪种类型的井是适合的，最好的方法是请教当地的钻井商。第一种是最简单的井型：手挖井。一般它是一个十分浅的坑（ 15m 深） ， 大直径， 用砖或大石头砌成。这种井型仅适合地下水接近地表的地方。特别要注意手挖井的出水量和温度，这些参数可随季节变化或受天气变化的不利影响。每二种井型是瓦井，瓦井类似手挖井，它具有大直径，相对浅（ 30m 深） ， 用多 孔瓦，以便渗入筑成的井壁。同手挖井，瓦井是用蓄水池原理来动作，就是水是储存在井中，以便正常使用。由于“蓄水池”的水位可以随季节或天气而变化，井水热泵系统中使用这两种井型时，必须慎重考虑。第三种井，也许是最普通的井型就是钻井。钻井是用一个带钻头的螺旋型杆钻入地下，形成的小直径孔洞。我们多数已经熟悉钻井的基本概念，孔能按找到地下水的要求钻到任何深度（如果需要可到150m 深） 。一旦孔被钻成，就放入适合的耐腐蚀管（ PVC 或钢） ，这些管道叫井套管，防止井塌并构成一条自由、无碍的通道让水从地下蓄水层流到地面。钻井的基本构成详见图1 。钻井与其他两种井最重要的不同处在于钻井不以蓄水池原理动作，水并非储存在井管中而被使用的，钻井系统依靠的是流动的地下水，储存在土壤中空隙地方的水必须以一定流量流到井套的开口里，以便有足够的水量供给热泵系统运行。水在土壤中的渗透速度取决于很多复杂的土壤特性
