第6章土壤源熱泵系統(tǒng)設計

6.1

土壤源熱泵系統(tǒng)的特點、形式和結構6.1.1土壤源熱泵系統(tǒng)的特點6.1.2土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結構返回首頁6.1.1土壤源熱泵系統(tǒng)的特點土壤源熱泵系統(tǒng)以大地土壤作為熱源或熱匯，被稱之為21世紀最具發(fā)展前途的供暖空調系統(tǒng)之一。系統(tǒng)主要由土壤熱交換器系統(tǒng)、水源熱泵機組、建筑物空調系統(tǒng)三部分組成，分別對應三個不同的環(huán)路。土壤源熱泵的主要技術優(yōu)勢（一）地下土壤溫度一年四季相對穩(wěn)定（約為12～20℃），冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境溫度低，土壤這種溫度特性使得該熱泵比傳統(tǒng)中央空調系統(tǒng)運行效率高出20～50%，節(jié)能效果明顯；土壤具有良好的蓄熱性能，冬、夏季從土壤中取的能量可分別在夏、冬季得到自然補償，從而實現(xiàn)了冬、夏能量互補性冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫度的地能中熱能取出來供給室內采暖；夏季把土壤能作為空調的冷源，即把室內的熱能取出來釋放到底于環(huán)境溫度的土壤中。土壤源熱泵的主要技術優(yōu)勢（二）當室外氣溫處于極端狀態(tài)，用戶對冷量或熱量的需求一般也處于高峰期，由于土壤溫度相對地面空氣溫度延遲和衰減效應，從而在耗電量相同的條件下，可以保持夏季供冷量或冬季供熱量；土壤熱交換器無需除霜，沒有融霜除霜的能耗損失。土壤源熱泵的主要技術優(yōu)勢（三）地下熱交換器在地下靜態(tài)的吸、放熱，減小了土壤源熱泵系統(tǒng)對地面空氣的熱、噪音污染；運行費用低。據(jù)美國國家環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的土壤源熱泵系統(tǒng)，可以節(jié)約用戶30～40%的供熱制冷空調的運行費用。土壤源熱泵的缺點土壤導熱系數(shù)小而使土壤熱交換器單位管長放熱量僅為20～40W/m，一般為25W/m左右。當換熱量較大時，土壤熱交換器占地面積較大；土壤熱交換器換熱性能受土壤熱物性參數(shù)的影響較大；初投資較高，僅土壤熱交換器投資約占系統(tǒng)投資的20～30%。6.1.2土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結構依據(jù)制冷劑管路與土壤換熱方式的不同：間接式土壤源熱泵系統(tǒng)直接膨脹式土壤源熱泵系統(tǒng)間接式土壤源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)熱交換器布置形式:水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng)垂直埋管土壤源熱泵系統(tǒng)水平埋管方式的優(yōu)點是在淺層軟土地區(qū)造價較低，但傳熱性能受到外界空調季節(jié)氣候一定程度的影響，而且占地面積較大。垂直土壤熱交換器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為工程應用中的主導形式。6.2.1土壤換熱器傳熱分析模型土壤熱交換器的傳熱分析目的:保證在土壤源熱泵整個生命周期中循環(huán)介質的溫度都在設定的范圍之內，根據(jù)這一目標選擇土壤熱交換器布置形式并確定埋管的總長度。在給定土壤熱交換器布置形式和長度以及負荷的情況下，計算循環(huán)介質溫度隨時間的變化，并進而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對系統(tǒng)進行能耗分析。關于土壤熱交換器的傳熱問題分析求解，迄今為止國際上還沒有普遍公認的唯一方法?，F(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類:以熱阻概念為基礎的半經驗性的解析解模型以計算傳熱學為基礎的數(shù)值解模型6.2.2土壤換熱器傳熱過程分析土壤熱交換器與周圍土壤中的傳熱過程實際上是一個通過多層介質的傳熱過程，具體由6個換熱過程組成，從管內流體到周圍土壤依次為：地埋管內對流換熱過程、地埋管管壁的導熱過程、地埋管外壁面與回填物之間的傳熱過程、回填物內部的導熱過程、回填物與孔壁的傳熱過程、土壤的導熱過程。這些傳熱過程是一個受到地下水滲流特性、土壤熱物性、埋管幾何結構及地埋管換熱負荷變化等諸多因素影響的復雜過程。6.2.4土壤換熱器傳熱的主要影響因素主要因素：土壤熱交換器結構土壤的傳熱性能土壤熱交換器換熱負荷6.3土壤換熱器設計計算6.3.1土壤換熱器的計算特點6.3.2土壤換熱器的設計步驟6.3.3土壤換熱器的換熱負荷計算6.3.4土壤換熱器的容量計算6.3.5土壤換熱器系統(tǒng)的水力計算返回首頁6.3.1土壤換熱器的計算特點土壤熱交換器是埋管中的流體與周圍土壤間的換熱。是典型非穩(wěn)態(tài)的過程。換熱涉及的因素很多，既有時間上的長短不同，空間上區(qū)域變化很大，又有熱交換器形式多種多樣、地層結構及其熱物性千差萬別，還有熱交換器的負荷隨時間變化、多組管道之間的相互影響、土壤凍融的影響、地下水滲流的影響等。6.3.1土壤換熱器的計算特點土壤熱交換器的傳熱計算與一般換熱器相比也有著顯著的不同：土壤熱交換器的傳熱系數(shù)和傳熱溫差（循環(huán)介質的平均溫度與其周圍土壤溫度的差）是隨時間和空間而變化的；熱交換器的結構布置和換熱負荷對熱交換能力有明顯影響；6.3.2土壤換熱器的設計步驟土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱交換器設計步驟如下：確定建筑物的供熱、制冷和熱水供應（如果選用的話）的負荷，并根據(jù)所選擇的建筑空調系統(tǒng)的特點確定熱泵的型式和容量。確定土壤熱交換器的布置形式。主要包括水平埋管、豎直埋管閉式循環(huán)以及串聯(lián)、并聯(lián)的管路連接形式。6.3.2土壤換熱器的設計步驟選擇熱交換器管材。如果設計工況中熱泵主機蒸發(fā)器出口的流體溫度低于0℃，應選用適當?shù)姆纼鲆鹤鳛檠h(huán)介質。合理設計分、集水器。根據(jù)所選擇的土壤熱交換器的類型及布置形式，設計計算土壤熱交換器的管長。6.3.3土壤換熱器的換熱負荷計算設計負荷用以確定熱泵的主機形式