第6章土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1

土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)、形式和結(jié)構(gòu)6.1.1土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)6.1.2土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結(jié)構(gòu)返回首頁6.1.1土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)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(jì)最具發(fā)展前途的供暖空調(diào)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(jī)組、建筑物空調(diào)系統(tǒng)三部分組成，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的環(huán)路。土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)（一）地下土壤溫度一年四季相對(duì)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)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(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了冬、夏能量互補(bǔ)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(nèi)采暖；夏季把土壤能作為空調(diào)的冷源，即把室內(nèi)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(shù)優(yōu)勢(shì)（二）當(dāng)室外氣溫處于極端狀態(tài)，用戶對(duì)冷量或熱量的需求一般也處于高峰期，由于土壤溫度相對(duì)地面空氣溫度延遲和衰減效應(yīng)，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(shù)優(yōu)勢(shì)（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(duì)地面空氣的熱、噪音污染；運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)美國國家環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)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(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。土壤源熱泵的缺點(diǎn)土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而使土壤熱交換器單位管長(zhǎng)放熱量?jī)H為20～40W/m，一般為25W/m左右。當(dāng)換熱量較大時(shí)，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(jié)構(gòu)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(diǎn)是在淺層軟土地區(qū)造價(jià)較低，但傳熱性能受到外界空調(diào)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(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)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(gè)生命周期中循環(huán)介質(zhì)的溫度都在設(shè)定的范圍之內(nèi)，根據(jù)這一目標(biāo)選擇土壤熱交換器布置形式并確定埋管的總長(zhǎng)度。在給定土壤熱交換器布置形式和長(zhǎng)度以及負(fù)荷的情況下，計(jì)算循環(huán)介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化，并進(jìn)而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。關(guān)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(rèn)的唯一方法。現(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類:以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性的解析解模型以計(jì)算傳熱學(xué)為基礎(chǔ)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(shí)際上是一個(gè)通過多層介質(zhì)的傳熱過程，具體由6個(gè)換熱過程組成，從管內(nèi)流體到周圍土壤依次為：地埋管內(nèi)對(duì)流換熱過程、地埋管管壁的導(dǎo)熱過程、地埋管外壁面與回填物之間的傳熱過程、回填物內(nèi)部的導(dǎo)熱過程、回填物與孔壁的傳熱過程、土壤的導(dǎo)熱過程。這些傳熱過程是一個(gè)受到地下水滲流特性、土壤熱物性、埋管幾何結(jié)構(gòu)及地埋管換熱負(fù)荷變化等諸多因素影響的復(fù)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(jié)構(gòu)土壤的傳熱性能土壤熱交換器換熱負(fù)荷6.3土壤換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算6.3.1土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)6.3.2土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟6.3.3土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算6.3.4土壤換熱器的容量計(jì)算6.3.5土壤換熱器系統(tǒng)的水力計(jì)算返回首頁6.3.1土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)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(shí)間上的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)及其熱物性千差萬別，還有熱交換器的負(fù)荷隨時(shí)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(jì)算特點(diǎn)土壤熱交換器的傳熱計(jì)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(zhì)的平均溫度與其周圍土壤溫度的差）是隨時(shí)間和空間而變化的；熱交換器的結(jié)構(gòu)布置和換熱負(fù)荷對(duì)熱交換能力有明顯影響；6.3.2土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱交換器設(shè)計(jì)步驟如下：確定建筑物的供熱、制冷和熱水供應(yīng)（如果選用的話）的負(fù)荷，并根據(jù)所選擇的建筑空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shè)計(jì)步驟選擇熱交換器管材。如果設(shè)計(jì)工況中熱泵主機(jī)蒸發(fā)器出口的流體溫度低于0℃，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)姆纼鲆鹤鳛檠h(huán)介質(zhì)。合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算土壤熱交換器的管長(zhǎng)。6.3.3土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算設(shè)計(jì)負(fù)荷用以確定熱泵的主機(jī)形式