談地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)

1、    談地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)            作者：張燕立 何耀東 時(shí)間：2007-11-24 15:14:00                     摘要： 地源熱泵是節(jié)能、環(huán)保型冷熱源裝置。豎直埋管式地源熱泵還具有對(duì)地下水無污染，

2、并不影響地面沉降的優(yōu)點(diǎn)，而且占地少、投資小、施工快。采用綜合傳熱系數(shù)法，可大大簡(jiǎn)化地源熱泵的傳熱計(jì)算。豎直埋管式地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)步驟，可規(guī)范工程設(shè)計(jì)、減少設(shè)計(jì)失誤，并能提高設(shè)計(jì)速度。 關(guān)鍵詞： 地源熱泵 豎直埋管 綜合傳熱系數(shù)1 概述地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降。因此，目前在國(guó)內(nèi)空調(diào)行業(yè)引起了人們廣泛的關(guān)注，希望盡快應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)?，F(xiàn)在尚未見到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)供設(shè)計(jì)人員使用，但又不能等待設(shè)計(jì)手冊(cè)出版后才使用地源熱泵技術(shù)。筆者從實(shí)踐角度對(duì)中小型地源熱泵空調(diào)工程設(shè)計(jì)程序進(jìn)行深討，供同行討論。地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱器

3、的設(shè)計(jì)。本文將著重探討有關(guān)地下?lián)Q熱器的問題。2 地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式眾所周知，熱泵機(jī)組的熱源有空氣源、水源、土壤源等。土壤源熱泵空調(diào)也叫地源熱泵空調(diào)，就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動(dòng)通過循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)組向建筑物供熱（供熱工況）。土壤源熱泵換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國(guó)采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場(chǎng)、操場(chǎng)等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見

4、縫插針充分利用可利用的土地面積。3 豎直埋管換熱器型式最常用的豎直埋管換熱器就是由垂直埋入地下的U型管連接組成。3.1 豎直埋管深度豎直埋管可深可淺，須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定，如20m、30m 直到200m以下。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。例如天津地區(qū)地表土壤層很厚，鉆孔費(fèi)用相對(duì)便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節(jié)約用地。3.2 豎直埋管材料埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。可供選用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、

5、DN25、DN32等。3.3 豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)深度，將制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，鉆孔孔徑可以是100、150、200或300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用300孔徑?；靥畈牧峡梢赃x用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工?；靥钌呈蛩槭瘬Q熱效果比較好，而且施工容易、造價(jià)低，可廣

6、泛采用。4 豎直埋管換熱器中循環(huán)水溫度的設(shè)定豎直埋管換熱器中流動(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)定和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。如夏季溫度設(shè)定較低，對(duì)熱泵壓縮機(jī)制冷工況有利，機(jī)組耗能少，但埋管換熱器換熱面積要加大，即鉆孔數(shù)要增加，埋管長(zhǎng)度要加長(zhǎng)。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長(zhǎng)度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)cop值下降，能

7、耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。筆者認(rèn)為埋管水溫應(yīng)如下設(shè)定：4.1 熱泵機(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計(jì)供回水溫度為712，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入U(xiǎn)管的最高溫度應(yīng) <37，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。4.2 熱泵機(jī)組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應(yīng)盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機(jī)組運(yùn)行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。我們知道風(fēng)機(jī)盤管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，所以風(fēng)機(jī)盤管的選型是以夏季冷負(fù)荷選型、冬季熱負(fù)荷校核。采用地源熱泵空調(diào)冬季供熱時(shí)，可根據(jù)冬季熱負(fù)荷實(shí)際情況，讓風(fēng)機(jī)盤管冬季也滿負(fù)荷運(yùn)行而

8、反算出供熱水溫度，此溫度要小于常規(guī)空調(diào)60的供水溫度（大約供水為40左右）。將此溫度定為熱泵機(jī)組冬季供水溫度。供回水溫差取710。地埋管中循環(huán)水冬季進(jìn)水溫度，以水不凍結(jié)并留安全余地為好，可取34。當(dāng)然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會(huì)提高工程造價(jià)、增加對(duì)設(shè)備的腐蝕。在嚴(yán)寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。5 換熱面積與綜合傳熱系數(shù)5.1 換熱面積一般換熱器換熱面積計(jì)算公式為： 式中 ：Q換熱器換熱量 w；K傳熱系數(shù) w

9、/m·；T對(duì)數(shù)溫差 。5.2 綜合傳熱系數(shù) 地埋管換熱器用以上公式計(jì)算很不方便，因?yàn)楹茈y確定其換熱面積。豎直埋管換熱器可以假設(shè)為“線熱源”模型。引入綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則較為簡(jiǎn)單、方便。這里，將以某一流經(jīng)地埋管換熱器內(nèi)的流體介質(zhì)與大地初始溫度每相差1，通過單位長(zhǎng)度換熱管，單位時(shí)間所傳遞的熱量定義為綜合傳熱系數(shù)K。式中：K綜合傳熱系數(shù) w/m；Q換熱器單位時(shí)間換熱量，Q=C m(t進(jìn)-t出) W；L換熱管有效長(zhǎng)度 m；TP流體介質(zhì)平均溫度， ；T進(jìn)U型管換熱器進(jìn)水溫度 ；T出U型管換熱器出水溫度 ；C 水比熱4.180KJ/Kg·k；m 水的質(zhì)量流量 kg/s；Td 地溫

10、。地溫是恒定值，可通過測(cè)井實(shí)測(cè)。有關(guān)資料介紹某地地下約100米的地溫是當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶?左右。天津市年平均氣溫是12.2，實(shí)測(cè)天津市地下約100米的地溫約為16，基本符合以上規(guī)律。影響豎直埋管綜合傳熱系數(shù)的因素有：地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、埋管深度、埋管材料及管徑、鉆孔直徑及回填材料、管中水的流速、熱泵運(yùn)行方式（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)還是間斷運(yùn)轉(zhuǎn)）。綜合傳熱系數(shù)k可通過測(cè)井測(cè)得。由公式可以看出，做一個(gè)地面鉆孔與預(yù)計(jì)工程應(yīng)用完全相同的U型豎直埋管，人為制作冷、熱源，通入冷、熱水，測(cè)出各個(gè)參數(shù)帶入公式即可計(jì)算出綜合傳熱系數(shù)。測(cè)井也可測(cè)出U型豎埋管出水溫度T出 。綜合傳熱系數(shù)K在系統(tǒng)運(yùn)行初期波動(dòng)值較大，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間

11、后其值趨于一穩(wěn)定值。我們通過實(shí)測(cè)K值波動(dòng)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在目前數(shù)據(jù)資料較少情況下可取波動(dòng)平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)誤差不會(huì)太大。6 豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)6.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)與熱泵機(jī)組6.1 .1 計(jì)算建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷及冬季熱負(fù)荷。6.1.2 確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進(jìn)出水溫度，進(jìn)而確定機(jī)組中工質(zhì)的夏季蒸發(fā)溫度及冷凝溫度。6.1.3 計(jì)算冬季風(fēng)機(jī)盤管的供水溫度，取回水溫度比供水溫度低712。設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度，根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。6.1.4    由建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷

12、、機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負(fù)荷和冬季機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，就可以進(jìn)行熱泵機(jī)組的選型設(shè)計(jì)，或?qū)?shù)提供給生產(chǎn)廠家，由廠家制造熱泵機(jī)組。6.1.5 確定熱泵機(jī)組型式（活塞機(jī)、螺桿機(jī)、蝸旋壓縮機(jī)等），查出或計(jì)算出該機(jī)組在夏季埋管水溫最高時(shí)和冬季埋管水溫最低時(shí)工況下的COP值。6.2 計(jì)算夏季總放熱量和冬季總吸熱量6.2.1 夏季豎直埋管換熱器總放熱量等于建筑總冷負(fù)荷加上埋管最高水溫時(shí)機(jī)組消耗功率（機(jī)組消耗功率等于夏季冷負(fù)荷除以埋管最高水溫時(shí)的COP值）。6.2.2 冬季豎直埋管換熱器總吸熱量等于建筑物總熱負(fù)荷減去埋管最低水溫時(shí)機(jī)組所消耗的功率（機(jī)組消耗功率等于冬季熱負(fù)荷除以埋管最低水溫時(shí)

13、COP值）。6.3 計(jì)算豎直埋管總長(zhǎng)度6.3.1 夏季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)算夏季換熱溫差DTx 8CDTx=Tx-Td 式中： Tx ü 夏季豎直埋管內(nèi)最高設(shè)計(jì)平均水溫 8C；Td ü 地溫 8C。夏季每米豎直埋管散熱量qx W/mqx=Kx ·DTx 式中： Kx ü 夏季綜合傳熱系數(shù) W/m8C。夏季豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度Lx m式中：Q夏建筑物夏季總冷負(fù)荷 W；A安全系數(shù)，取1.1-1.2。6.3.2 冬季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)算冬季換熱溫差 DTD 8CDTD=Td-TD 式中:TD ü 冬季豎直埋管內(nèi)最低設(shè)計(jì)平均水溫 8C。冬季每米豎直埋管散

14、熱量qD W/mqD=KD ·DTD 式中：KD ü 冬季綜合傳熱系數(shù) W/m8C。冬季豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度LD m 式中：Q冬建筑物冬季總熱負(fù)荷 W；A安全系數(shù) 取1.1-1.2。6.3.3 確定豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度以上計(jì)算取LX、LD二者中較大數(shù)值為本工程埋管總長(zhǎng)度L m。6.4 計(jì)算豎直埋管數(shù)量并確定布置形式6.4.1 豎直埋管數(shù)量計(jì)算 式中:nU型豎直埋管個(gè)數(shù)；H豎直埋管設(shè)計(jì)有效深度 m；L埋管總長(zhǎng)度 m。6.4.2 豎直埋管布置形式結(jié)合工程場(chǎng)地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析,U型豎直埋管間距以56m為宜。6.5 確定豎直埋管水流速度與水泵選型6.5.1 確定水流速試驗(yàn)顯示，豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當(dāng)增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應(yīng)為紊流狀態(tài)，流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。6.5.2 確定水泵型號(hào)流速確定后計(jì)算循環(huán)水流量及壓力損失即可選擇循環(huán)水泵的型號(hào)。7 結(jié)論7.1 地源熱泵空調(diào)是節(jié)能、環(huán)保、對(duì)地下水無污染，并不影響地面沉降的好形式。特別是豎直埋管地源熱泵更具有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)予推廣。7.2 采用土壤鉆孔的綜合傳熱系數(shù)法，可簡(jiǎn)化地源熱泵的傳熱計(jì)算。7.