土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

1、土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法         06-01-23 09:35:00     作者：胡建平    編輯：studa9ngns摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，重點(diǎn)論述了地下熱交換器的設(shè)計(jì)過程。并舉例加以說明。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱交換器 設(shè)計(jì)The Design Ways of Ground-coupled Heat Pump SystemAbstract: In this paper the design w

2、ays and steps of ground-coupled heat pump system have been introduced. The design of the underground heat exchanger has been discussed in details, and an example has been taken to illustrate the process of the design.Keywords: Ground-coupled heat pump Heat exchanger DesignShanghai University of Engi

3、neering Science，China0 引言隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)1。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機(jī)組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要

4、二次換熱。地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，本文進(jìn)行了初步探討，以供參考。1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟（1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，

5、在此不再贅述。冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量?？梢杂上率龉?計(jì)算：kW （1）kW （2）其中Q1 夏季向土壤排放的熱量，kWQ1夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kWQ2冬季從土壤吸收的熱量，kWQ2冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOP1設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP2設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。（2）地下熱交換器設(shè)計(jì)這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換

6、器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）（3）其它2 地下熱交換器設(shè)計(jì)2.1 選擇熱交換器形式2.1.1 水平（臥式）或垂直（立式）在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多3，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。根據(jù)埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型（詳見2）。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在

7、熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明4：最深的U型管埋深已達(dá)180m。U型管的典型環(huán)路有3種（詳見1），其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián)地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。2.2 選擇管材一般來講

8、，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。2.3 確定管徑在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求2：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般