地埋管地源热泵系统的设计及优化.
《桩基埋管地源热泵系统工程技术规程》
1 总则1.1.1为规范江苏省地源热泵桩基埋管技术应用工程的工程勘察、测试、设计、施工、验收及运行维护等技术工作，使地源热泵桩基埋管工程符合安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、节能环保与减排的要求，制定本规程。
1.1.2本规程适用于江苏省内采用桩基埋管地源热泵换热系统的建筑工程。
1.1.3采用本规程进行地源热泵桩基埋管工程勘察、测试、设计、施工、验收及运行维护除执行本规程外，尚应符合国家和江苏省现行其它标准的要求。
12 2 术语和符号2.1 术 语2.1.1 桩基埋管换热器 Pile foundation buried heat exchange pipe埋设于桩内的密闭循环管组构成的换热器，根据管路安装型式不同，常见的有垂直U 型桩基埋管换热器、W 型桩基埋管换热器和螺旋型桩基埋管换热器等。
2.1.2 埋管桩基（能源桩） Energy pile通过在建筑桩基础中埋设换热器装置(即桩基埋管)，进行浅层低温地热能交换，起到基础承载和换热的双重功能的桩基础，也称为能源桩。
2.1.3 桩基埋管换热系统 Heat transfer system of buried pipe pile foundation传热介质通过桩基埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统。
2.1.4 热响应测试 Geo-thermal response test通过测试仪器，对地埋管换热器或能源桩进行一定时间内的连续加热或取热，以获得岩土体或桩基埋管（能源桩）综合热物性参数的试验。
2.1.5 荷载-温度联合测试 Mechanical-thermo test for energy pile在埋管桩基静载试验同时进行一定时间内的连续加热或取热，以确定埋管桩基单桩热-力耦合作用承载力的试验方法。
2.1.6岩土综合导热系数 Geothermal comprehensive thermal conductivity parameter of the earth通过热响应测试得到的钻孔埋管或埋管桩基（能源桩）穿越岩土层的综合导热系数。
地源热泵应用现状调研及优化建议
地源热泵应用现状调研及优化建议摘要：热泵是在电能驱动下，通过热力学逆循环连续地将热量从低位热源转移到高温物体或者介质，并用于制取热量的装置。
可以利用一份电能提取3~4份可再生能源中的低位热能，共同向用户供热，因此，热泵供热是一种节能、环保、高效的供热方式，在建筑供暖和生活热水供应上获得了广泛应用。
正是由于其这一特性，热泵技术的发展始终同能源与环境问题息息相关，紧密联系在一起。
进入21世纪，气候变化及能源问题更加严峻，热泵技术作为可再生能源利用的有效途径，成为国际能源署认定的节能减碳关键技术之一，在我国获得了广泛的应用。
关键词：地源热泵；应用现状；优化建议引言能源革命、低碳能源、清洁供暖目前已经成为我国能源战略的重要组成部分。
面对严峻的能源危机，国家大力支持低碳清洁能源的开发和利用，建筑行业领域也迎来能源革命。
在建筑领域，地源热泵系统作为一种使用清洁能源的采暖（制冷）系统，可以利用少量的高位能（一般为电能），将浅层的地热能转化为高位热能。
地源热泵主要是将土壤所储藏的庞大太阳能作为热源，通过热泵系统进行能量的相互转换，是一种实用的节能技术。
从长期来看，地源热泵系统具有良好的发展前景，国家大力支持，随着科学技术的进步，未来，其势必获得更广泛的利用。
1热泵发展现状根据热泵利用的低位热源不同分为：空气源热泵、地源热泵、太阳能热泵，其中地源热泵包括地埋管地源热泵、地下水地源热泵和江、河、湖、海、污水及再生水等地表水源热泵。
按照低位热源的可得性、稳定性及技术经济性，空气源热泵和地源热泵是我国热泵应用主要类型。
空气源热泵早期以冷暖空调形式应用推广，以供冷为主、供热为辅，主要应用于分散式短期供暖的长江流域及以南地区。
近年来随着我国清洁取暖国家战略的实施，空气源热泵供暖成为分散电代煤的主要技术形式，应用范围不断北扩。
长江流域供暖需求的日益增加，空气源热泵在这一区域的应用也进一步推广。
建筑节能工作的不断深入推进，迈入近零能耗时代，建筑负荷需求大幅度降低，供能灵活性要求提升，空气源热泵集成新风、净化、除湿的多功能产品不断涌现。
地源热泵系统工程技术规范及埋管计算方法
主要内容
1 总则 2 术语 3 工程勘察 4 地埋管换热系统 5 地下水换热系统 6 地表水换热系统 7 建筑物内系统 8 整体运转、调试与验收 9 附录
地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.1 地源热泵系统 groud-source heat pump system 以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵
分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系 统。
2.0.11 直接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水，经处理后直接流
经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层 的地下水换热系统。
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地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.12 间接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水经中间换热器热交换
后返回地下同一含水层的地下水换热系统。 2.0.13 地表水换热系统
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地源热泵系统工程技术规范
3.1 一般规定
3.1.4 工程场地状况调查应包括下列内容： 1 场地规划面积、形状及坡度；（是否满足打井或埋管面
积和位置要求） 2 场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布； 3 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； 4 场地内已有的、计划修建的地下管线和地下构筑物的分
蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源。 2.0.5 传热介质 heat-transfer fluid
地源热泵系统中，通过换热管与岩土体、地下水或地 表水进行热交换的一种液体。一般为水或添加防冻剂的水 溶液。
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地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.6 地埋管换热系统 ground heat exchanger system 传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交
地源热泵地下埋管的优化分析
地源热泵地下埋管的优化分析摘要地源热泵是一种新型的技术，具有节能环保等优点。
本文结合舟山地区的实际情况，对地源热泵的地下埋管进行综合分析，内容包括地下埋管的形式、工质和回填材料等，希望能通过本文的分析对舟山市地源热泵的发展起到一定的推动作用。
关键词地源热泵；地下埋管；回填材料中图分类号tu831.3 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）34-0080-02abstract ground source heat pump is a new technology with the advantages of energy saving and environmental protection. combining the practical condition of ，zhoushan ，comprehensive analysis is made on buried pipe systems for ground source heat pump in this paper， including form，working medium and backfill material， etc， playing a significant role in the promotion of the development prospects of ground source heat pump in zhoushan.当今世界，常规能源日见短缺，环境污染日趋严重，为了避免对常规能源资源的过度索取和保护人类赖以生存的自然环境，大力开发利用可再生能源、节约能源已成为科技发展的潮流。
地热属于洁净的可再生能源工业自动化网，它一般具有稳定的能流参数、可全天候开采、使用方便、安全可靠、利用范围广、成本低廉等特点。
地源热泵技术是伴随着全球能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起来的，它以大地为热源，可以充分发挥地下土壤蓄能系统的作用，来维持室内的热环境。
第三章地源热泵系统的设计及计算讲解
第三章地源热泵系统的设计及计算一说到设计，人们往往想到的是工程技术人员的计算和绘图，当然这些都属于设计领域里的工作，而寻找解决问题的途径，也是设计任务之一。
设计本身包括寻找解决问题的途径，所以它不限于事先构思，更不排斥实践，而应是思维活动与实践活动的统一。
空调设计的任务及目的，就是把现有能效高的设备组织好、使用好、充分发挥它们的作用。
现代空调系统的不断发展使建筑物内的设施日益增多和复杂，这对改善人们的生活和工作环境有着积极作用，但同时也带来了由于系统设计、工程施工和运行管理不当而造成对自然环境和人体健康有害的因素。
所以反过来力求解决这些问题就成为一种主要的推动力，促使空调技术更进一步向前发展。
目前，建筑节能的重要性越来越引起人们的关注。
从建筑设计方面来看，提高隔热保温性能，采用合理的朝向，增设必要的遮阳等可以减少空调负荷，降低能耗。
对于确定的空调负荷，提高设备的效率和优化运行过程提供相应的硬件软件，都成为降低能耗的关健。
空调系统的设计一般采用工况设计法，是以夏季和冬季室外空气设计参数为依据的典型工况进行计算，并且是按最不利情况考虑，按照设备的额定工况选择指标。
所以，设备选型较大。
空调设备经常处于部分负荷状态下运行，必须要求设备在部分负荷运行时也能高效率运行。
避免负荷变化了，而设备不能作相应调节，出现大马拉小车的现象；或设备也能调节负荷，但调节性能差，耗能指标落后。
因此，设计的任务就是要用先进的自控技术将空调全工况下的性能调整到最佳程度，这就是所谓的过程设计方法。
一、中央空调设计主要参考以下的规范及标准1、通用设计规范1)．《采暧通风及空气调节设计规范》（GB50019-2003（2003年版））；2)．《采暖通风及至气调节制图标准》（GBJ114－88）3)．《建筑设计防火规范》（GBJ116－87）4)．《高层民用建筑设计防火规范》（ GBJ0045－95）5)．《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-95）2．专用设计规范：1)．《宿舍建筑设计规范》（JGJ36-87）2)．《住宅设计规范》（GB50096-99）3)．《办公建筑设计规范》（JG67－89）4)．〈旅馆建筑设计规范〉（JGJ67-89）5)．《旅游旅馆建筑热土与空气调节节能设计标准》（GB50189-93）6)．《地源热泵系统工程技术规范》（JGJ142－2004）7)．《地面辐射供暖技术规范》（GB50366－2005）8)．其它专用设计规范3．专用设计标准图集：1)．《暖通空调标准图集》2)．《暖通空调设计选用手册》（上、下册）3)、其它有关标准二、空调冷、热负荷计算空调负荷是指为保持室内空气设计条件，单位时间内室内空气输入或排出的热量，前者称为热负荷，后者称为冷负荷。
地源热泵系统工程技术规范及埋管计算方法
2 术语
2.0.1 地源热泵系统 groud-source heat pump system
以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵 机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系 统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为 地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源 热泵系统。
组构成的换热器，又称土壤热交换器。根据管路埋置方式不同 ，分为水平地埋管换热器和竖直地埋管换热器。
2.0.8 水平地埋管换热器 horizontal ground heat exchanger 换热管路埋置在水平管沟内的地埋管换热器，又称水平土
壤热交换器。
2 术语
2.0.9 竖直地埋管换热器 vertical ground heat exchanger
1.0.2 本规范适用于以岩土体、地下水、地表水为低温热源 ，以水或添加防冻剂的水溶液为传热介质，采用蒸气压缩 热泵技术进行供热、空调或加热生活热水的系统工程的设 计、施工及验收。
1.0.3 地源热泵系统工程设计、施工及验收除应符合本规范 外，尚应符合国家现行有关标准的规定。
主要内容
1 总则 2 术语 3 工程勘察 4 地埋管换热系统 5 地下水换热系统 6 地表水换热系统 7 建筑物内系统 8 整体运转、调试与验收 9 附录
地源热泵系统工程技术 规范及埋管计算方法
2020/8/18
主要内容
1 总则 2 术语 3 工程勘察 4 地埋管换热系统 5 地下水换热系统 6 地表水换热系统 7 建筑物内系统 8 整体运转、调试与验收 9 附录
1 总则
1.0.1 为使地源热泵系统工程设计、施工及验收，做到技术 先进、经济合理、安全适用，保证工程质量，制定本规范 。
地源热泵方案设计
地源热泵方案设计一、地源热泵系统概述地源热泵是一种利用地下土壤、地下水或地表水等作为冷热源，通过热泵机组进行能量交换，为建筑物提供制冷、供暖和生活热水的系统。
与传统的空调和供暖系统相比，地源热泵系统具有以下显著优势：1、高效节能：地源热泵系统的能效比（COP）通常较高，可大大降低能源消耗和运行成本。
2、环保无污染：不使用化石燃料，减少了温室气体排放和对环境的污染。
3、稳定可靠：地下温度相对稳定，使得系统运行更加稳定可靠，不受外界气候条件的影响。
4、使用寿命长：热泵机组和地下换热器的使用寿命较长，维护成本相对较低。
二、工程场地条件评估在进行地源热泵方案设计之前，首先需要对工程场地的条件进行详细评估。
这包括地质结构、土壤类型、地下水位、水文地质条件等。
不同的场地条件会影响地下换热器的设计和安装方式。
1、地质结构：了解地层的分布、厚度和岩石类型，以确定钻孔的可行性和难度。
2、土壤类型：土壤的热导率和比热容会影响热量传递效率，常见的土壤类型如砂土、黏土和壤土等，其热性能有所差异。
3、地下水位：地下水位的高低会影响换热器的安装深度和防水措施。
4、水文地质条件：包括地下水的流动速度、水质等，这对于选择合适的换热器类型和防止地下水污染至关重要。
三、建筑物负荷计算准确计算建筑物的冷热负荷是地源热泵方案设计的基础。
负荷计算需要考虑建筑物的用途、面积、朝向、围护结构的保温性能、室内人员和设备的发热量等因素。
通过专业的负荷计算软件，可以得到建筑物在不同季节和不同时段的制冷和供暖负荷需求。
1、制冷负荷：主要由室内外温差、太阳辐射、人员散热和设备散热等因素引起。
2、供暖负荷：与室外温度、建筑物的保温性能、通风换气次数等有关。
根据负荷计算结果，可以确定热泵机组的容量和地下换热器的规模，以保证系统能够满足建筑物的冷热需求。
四、地源热泵系统类型选择地源热泵系统主要有三种类型：地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
2010竖直地埋管换热器优化设计与模拟软件
收稿日期：2010-1-8作者简介：崔萍（1976～），女，博士，讲师；山东建筑大学热能学院（250101）；0531-863637626；E-mail:sdcuiping@ 基金项目：国家自然科学基金项目（No.50946039）竖直地埋管换热器优化设计与模拟软件崔萍1刁乃仁1杨洪兴2方肇洪11山东建筑大学地源热泵研究所2香港理工大学屋宇设备系摘要：本文首先讨论了地源热泵系统竖直埋管地热换热器的理论传热模型及其解析解，然后详细介绍了根据这一模型开发并完善的地热换热器设计和模拟计算软件“地热之星GeoStar V3.0”。
该软件除了根据负荷设计计算地埋管的总长度以外，还可计算系统的热泵能耗、地埋管换热器的换热量、孔壁的温度变化以及其他性能参数。
GeoStar V3.0还增加了设计太阳能辅助地源热泵系统的功能，可对热负荷占优的建筑进行太阳能集热器与地埋管换热器联合运行的优化设计。
本文最后针对某一地源热泵示范工程进行了设计计算。
使用结果表明，软件中采用的理论传热模型和设计计算方法可以较精确地用于指导工程实践与相关的科研项目。
关键词：地源热泵地热换热器设计计算传热Simulation Modeling and Design Optimization of Vertical Ground HeatExchangerCUI Ping 1,DIAO Nai-ren 1,YANG Hong-xing 2,FANG Zhao-hong 11Ground Source Heat Pump Research Center,Shandong Jianzhu University 2Department of Building Services Engineering,The Hong Kong Polytechnic UniversityAbst r act :The paper primarily discusses the analytical heat transfer models for the vertical GHEs and introduces the attendant program named “GeoStar ”developed for use in design and simulation of vertical GHEs.The GeoStar can calculate the required borehole length and predict time-varying heat pump energy consumption,heat transfer rates of GHEs,and other variables of interest during a long-time period of over 20years.Meanwhile,the simulation model for the solar-ground source heat pump systems is developed and incorporated into the program,which can design the solar collector area required for heating-dominated buildings.Finally,the program is used to design an existing GSHP project and to simulate the system performance.The results demonstrate the usefulness of the simulation model and attendant program as a tool for designing the GSHP systems.Keywor ds:ground source heat pump,ground heat exchanger,design,heat transfer0引言竖直埋管地源热泵技术利用可再生的浅层地热能通过热泵机组对建筑物实现供暖，空调及提供生活用热水。
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钻 孔 区 域 、 埋 管 形 式
其 他 便 于 利 用 的 能 源
系统投资与 运行费用
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地源热泵设计任务 资料收集及现场踏勘 制定地源测试方案
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建筑能耗动态模拟计算
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场地勘Hale Waihona Puke 孔施工•场地勘测孔施工
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岩土层结构堪查 •
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岩土体热响应测试
试验成果分析和报告撰写
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使用专业软件进行地下换热系统设计和热平衡模拟
工程经验修正
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与建筑、结构等各专业配合
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地源热泵系统初步设计
地源热泵设计工作程序框图
地埋管地源热泵系统设计的主要步骤 1、建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关 空调系统设计手册，在此不再赘述。
夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：
上海富田空调冷冻设备有限公司 地源热泵事业部
地埋管地源热泵系统 • 地埋管地源热泵系统是利用地下 岩土（土壤、岩石等）作为热源 或热汇，它是由地埋管换热系统 与热泵机组构成。 • • 土壤温度在地面15米以下温度接 近当地全年平均气温，常年保持 恒定的温度，远高于冬季的室外 温度，又低于夏季的室外温度， 因此地源热泵是利用土壤“冬暖 夏凉“的特性来制冷/供热的节能 中央空调，和利用空气源制冷/供 热相比较，效率大大提高，且不 受环境温度影响。
水平埋管
• 垂直埋管：（已成为工 程应用中的主导形式） 1. 垂直埋管分为单U和 双U两种埋管方式
• • 优点：占地面积较小， 工作性能稳定， • 缺点：造价相对较高
垂直埋管
垂直埋管还分为单U和双U两种埋管方式
单U管
双U管
地埋管地源热泵系统的优点
系统运行安全、稳定，不受环境影响 不直接抽取地下热水，有效避免环境问 题的产生和对地热资源的破坏 能量夏存冬取，可循环利用 节约一次能源，可节省大量煤、石油、 天然气等高品位的一次能源 各级政府的大力支持以及资金补贴
2.3埋管管长、钻孔数量、埋管面积计算 在实际工程中，可以利用管材“换热能力”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，一般垂直埋管为60～10 0W/m(井深)，或30～50W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管 长）左右。 按夏季排热量： 总换热管长度=夏季排热量/单位孔深排热量（上海地区约65W/m） 按冬季吸热量： 总换热管长度=冬季吸热量/单位孔深吸热量（上海地区约40W/m） 钻孔数量=总换热管长度/钻孔深度 埋管面积=单孔占地面积×钻孔数量
土壤温度随深度变化示意图
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月份
40
地表 2 FT（0.6m) 30 20 10 0
5 FT (1.5m)
12 FT (3.6m)
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360 天数
根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水 平埋管与竖直埋管换热器两大类。
水平埋管： 优点：在软土地区造价低 缺点：占地面积较广，不 太适合中国地少人多的国情。
一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及 制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。
2、地下热交换器设计 2.1选择热交换器形式 • 水平（卧式）或垂直（立式） • 单U型管或双U型管 • 串联或并联
• 同程或异程
绝大部分系统采用垂直埋管、单U型管、并联、同程的 地埋管换热系统形式。 2.2选择管材 目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）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50年 以上。
降低系统的初投资
复合式地埋管地源热泵系统 夏季：地埋管地源热泵系统+冷却塔等辅助冷源 冬季：地埋管地源热泵系统+锅炉等辅助热源 单一地埋管地源热泵系统 夏季：地埋管地源热泵系统 冬季：地埋管地源热泵系统
地源热泵+辅助冷却塔复合系统示意图
谢谢
1、宜采用同程系统设计
异程系统
同程系统
地埋管系统设计：
3、系统压力不得高于地埋管承压（管道一般采用PE管）
4、要考虑地埋管系统的检修
（预留孔，或预留排查操作空间）
前期设计都是建立在估算的基础上，需要根据热响应测试结果进行优化
复合式地埋管地源热泵系统设计
地源热泵混合系统是在常规的地源热泵系统
（地埋管换热器、热泵主机、末端系统）以外 增加辅助的散热/加热装置 解决全年冷热负荷不平衡的问题 解决设置地埋管换热器土地不足
注：1、单位孔深换热量以热响应测试的测试值为准。 2、单孔占地面积与布孔方式及孔距有关，一般采用4m孔距菱形布孔。 3、若埋管面积不够或冷热负荷无法平衡，地埋管可按冬季吸热量进行设计， 夏季采用冷却塔辅助散热
2.4 确定管径 （1）管道越大，水泵输送功率越小，流速越小，流体换 热时间越长； （2）管道越小，管道内保持紊流，流体与管道内壁之间 的传热效果越好。
U形埋管管径 20—40mm 40—100mm 100—200mm 流速 0.6 — 1m/s 1 —1.5m/s 1.5 — 2m/s
地埋管换热器的环路压力损失宜控制在30~50KPa/100m，最大不超过50KPa/100m
地埋管系统设计：
1、宜采用菱形布孔，以节约埋管面积
矩形布孔
菱形布孔
地埋管系统设计：
地埋管地源换热器系统设计
地埋管地源热泵份额 辅助冷热源形式的确定
是否考虑生 活热水？ 加冷却塔？ 加锅炉？
大型复合式地埋管地源热泵系统 选择应用方法
冷热负荷特点 峰值冷热负荷， 运行时间 累计冷热负荷
系统 性价比
建 筑 能 耗 分 析
钻孔费用
地 埋 地 管 质 地 情 源 导 况 热 系 数、 对供冷供热 温 能力的影响 度
夏季制冷地埋管排热量=冷负荷+地源热泵压缩机功率 [ Q排=Q冷×（1+1/COP1）] 冬季制热地埋管吸热量=热负荷- 地源热泵压缩机功率 [Q吸=Q热× （1-1/COP2）]
其中Q排——夏季向土壤排放的热量，kW Q冷——夏季设计总冷负荷，kW Q吸——冬季从土壤吸收的热量，kW Q热——冬季设计总热负荷，kW COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数 COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数