土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計初探

1、土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法上海工程技術(shù)大學(xué) 胡建平摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，重點論述了地下熱交換器的設(shè)計過程。并舉例加以說明。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱交換器 設(shè)計The Design Ways of Ground-coupled Heat Pump SystemBy Hu JianpingAbstract: In this paper the design ways and steps of ground-coupled heat pump system have been introduced. The design of the underground heat ex

2、changer 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 Engineering Science，China0 引言隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(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

3、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

4、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驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計指導(dǎo)，本文進行了初步探討，以供參考。1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟（1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算 建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，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。可以由下述公式2計算： kW （1） kW （2）其中夏季向土壤排放的熱量，kW夏季設(shè)計總冷負荷，kW冬季從土壤吸收的熱量，kW

5、冬季設(shè)計總熱負荷，kW設(shè)計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)設(shè)計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的、。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。（2）地下熱交換器設(shè)計 這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，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)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費

6、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存在熱損失。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豎井中布置單U型管。2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián) 地

7、下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(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，管道費用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實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，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，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)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料

8、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 在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求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，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/

9、s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)量長度以下1。2.4 確定豎井埋管管長 地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻2介紹了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣，并且部分數(shù)據(jù)不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為70110W/m(井深)，或3555W/m(管長)，水平埋管為2040W/m（管長）左右3。設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計算公式如下： （3）其中豎井埋管總長，m夏季向土壤排放的熱量，kW分母“

10、35”是夏季每m管長散熱量，W/m2.5 確定豎井?dāng)?shù)目及間距 國外，豎井深度多數(shù)采用50100m2，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目: （4）其中豎井總數(shù)，個豎井埋管總長，m豎井深度，m 分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。然后對計算結(jié)果進行圓整，若計算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。 關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m3，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m4。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置（詳見2）來節(jié)約占地面積。2.6

11、計算管道壓力損失在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。2.7 水泵選型 根據(jù)上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。2.8 校核管材承壓能力管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力

12、作用靜壓和水泵揚程一半的總和1，即： 其中管路最大壓力，Pa建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a地下埋管中流體密度，kg/m3 當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差，m水泵揚程，Pa3其它3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處（一般為1m）設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。3.2在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)的供冷量遠大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計供熱工況下最大吸熱量來設(shè)計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔(dān)供

13、冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費用，保證地源熱泵系統(tǒng)具有更大的市場前景，尤其適用于改造工程1。4 設(shè)計舉例4.1 設(shè)計參數(shù)上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積212m2。4.1.1 室外設(shè)計參數(shù)夏季室外干球溫度tw34, 濕球溫度ts28.2冬季室外干球溫度tw-4, 相對濕度754.1.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn27, 相對濕度n55冬季室內(nèi)溫度tn20, 相對濕度n454.2 計算空調(diào)負荷及選擇主要設(shè)備參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負荷的計算方法，計算得到各房間冷熱負荷并選擇風(fēng)機盤管型號；考慮房間共用系數(shù)（取0.8），得到建筑物夏季設(shè)計總冷負荷為24.54kW，冬季設(shè)計總熱

14、符負荷為16.38kW，選擇WPWD072型水源熱泵機組2臺，本設(shè)計舉例工況下的3.3，3.7。4.3 計算地下負荷根據(jù)公式（1）、（2）計算得 kW kW 取夏季向土壤排放的熱量進行設(shè)計計算。4.4 確定管材及埋管管徑選用聚乙烯管材PE63（SDR11），并聯(lián)環(huán)路管徑為DN20，集管管徑分別為DN25、DN32、DN40、DN50，如圖1所示。4.5 確定豎井埋管管長根據(jù)公式（3）計算得m4.6 確定豎井?dāng)?shù)目及間距選取豎井深度50m，根據(jù)公式（4）計算得個圓整后取10個豎井，豎井間距取4.5m。圖1 地下熱交換器布置4.7 計算地埋管壓力損失參照本文2.6介紹的計算方法，分別計算123456

15、7891011111各管段的壓力損失，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機組的管路壓力損失，以及熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚程為15mH2O。4.8 校核管材承壓能力上海夏季大氣壓力100530 Pa，水的密度1000 kg/m3，當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.8 m/s2，高度差50.5 m重力作用靜壓494900 Pa水泵揚程一半0.57.5 mH2O73529 Pa因此，管路最大壓力668959 Pa（約0.7Mpa）聚乙烯PE63（SDR11）額定承壓能力為1.0MPa，管材滿足設(shè)計要求。5 結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強化、土壤性質(zhì)等）的研究還很有限，設(shè)計時大致可以遵循以下原則：（1）若建筑物周圍可利用地表面積充足，應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟的水平埋管方式；相反，若建筑物周圍可利用地表面積有限，應(yīng)采用豎直U型埋管方式。（2）盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管，但并聯(lián)方式采用小管徑，初投資及運行費用均較低，所以在實際工程中常用，且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡，最好設(shè)計成同程式。（3）選擇管徑時，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m（當(dāng)量長度）以下，同時應(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(qū)。參考文獻：1 徐偉等.地源