土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)探討

4/26/20231一、地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介二、地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化三、地埋管地源熱泵土壤熱響應(yīng)測(cè)試四、地埋管換熱器設(shè)計(jì)五、地下熱平衡設(shè)計(jì)六、地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制簡(jiǎn)介4/26/20232一、地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著國(guó)際上環(huán)保和充分利用可再生能量資源的可持續(xù)發(fā)展大趨勢(shì),人類越來(lái)越重視開發(fā)新的能源形式和充分利用可再生能量資源,特別是更加注重蓄能技術(shù)和再利用技術(shù)的應(yīng)用前景。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于它有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn),在近十幾年,尤其是近5年,在北美、北歐一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到了較快發(fā)展。4/26/20233地源熱泵系統(tǒng)分類地源熱泵是一種利用淺層地?zé)?，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng)，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。（GSHP）地源熱泵地下水源熱泵系統(tǒng)（GWHP）地表水源熱泵（SWHP）地埋管地源熱泵（GCWP）4/26/20234埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)

2）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)：換熱器井管路直接接入機(jī)房、換熱器井管路匯集到集水器。4/26/20235埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)

2）垂直埋管－樁基換熱器：4/26/20236埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)

2）垂直埋管－地?zé)嶂悄軜颍?/26/20237埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)

3）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)：長(zhǎng)軸水平布置的螺旋埋管、長(zhǎng)軸豎直布置的螺旋埋管、溝渠集水器式螺旋埋管。4/26/20238二、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的原始資料與依據(jù)建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算設(shè)計(jì)冬夏季地下循環(huán)水換熱量計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)勘察探與熱響應(yīng)測(cè)試地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)空調(diào)主機(jī)及末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)4/26/20239熱泵機(jī)組的選擇

熱泵容量的選擇熱泵性能的確定:土壤熱泵的性能取決于熱泵的進(jìn)水溫度，必須確定室外空氣和進(jìn)水溫度之間的關(guān)系。進(jìn)水溫度與多個(gè)因素有關(guān)，如一年的運(yùn)行時(shí)間，土壤類型，土壤換熱器的類型、大小等。4/26/2023102.3地源熱泵循環(huán)水的換熱量計(jì)算

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接?jì)算：其中，Q11—夏季向淺層地表排放的熱量，kW，Q1—夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kWQ12—冬季從淺層地表吸收的熱量，kW，Q2—冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOP1—設(shè)計(jì)工況下水-水熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP2—設(shè)計(jì)工況下水-水熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)4/26/2023112.4選擇室內(nèi)末端系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，地板采暖方式，全空氣系統(tǒng)等。通常采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時(shí)，空氣分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下三個(gè)方面：（1）選擇安裝風(fēng)管的最佳位置；（2）根據(jù)室內(nèi)的得熱量/熱損失計(jì)算來(lái)選擇并確定空氣分布器和回風(fēng)格柵的位置；（3）根據(jù)熱泵的風(fēng)量和靜壓力，布置風(fēng)管的走向，確定風(fēng)管的尺寸。4/26/2023122.5優(yōu)化設(shè)計(jì)方法模擬地源熱泵耦合法設(shè)計(jì)軟件主界面4/26/2023132.5優(yōu)化設(shè)計(jì)方法模擬冷卻塔選型設(shè)計(jì)界面4/26/202314三、地源熱泵土壤熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要;也可能規(guī)模過(guò)大，從而加大初期投資。另外，不同的封井材料、埋管方式對(duì)換熱都有影響，因此只有在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。

4/26/202315埋管式地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試要求實(shí)驗(yàn)主要在三個(gè)方面展開：1）首先是熱響應(yīng)測(cè)試，以恒定的加熱功率求出地埋管換熱器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化情況，通過(guò)曲線擬合求出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；2）模擬夏季空調(diào)的制冷試驗(yàn)，測(cè)量井埋管換熱器的放熱能力；3）模擬冬季的制熱試驗(yàn)，測(cè)量井埋管換熱器取熱能力

。4/26/202316熱響應(yīng)測(cè)試軟件熱響應(yīng)測(cè)試軟件Demo4/26/202317熱響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析熱響應(yīng)測(cè)試軟件Demo4/26/202318熱響應(yīng)測(cè)試模擬軟件熱物性模擬軟件Demo4/26/202319熱響應(yīng)測(cè)試模擬軟件熱響應(yīng)模擬軟件Demo4/26/202320四、地蘇埋管土壤換熱器設(shè)計(jì)水平埋碌管垂直埋茅管水平螺擊旋型埋壘管在現(xiàn)場(chǎng)勾勘測(cè)的植基礎(chǔ)上恭確定換衛(wèi)熱器埋棋管采用勢(shì)垂直布勵(lì)置還是省水平布舒置方式姿。盡管軋水平布接置時(shí)通睜常為淺辣層埋管妥,初煎投資一商般會(huì)少竟些,但河換熱性胖能比垂篩直布置棟時(shí)差很齊多,并懸且往往康受可利兩用土地輝面積的葡限制,碑所以在落實(shí)際工熔程中,一般采用翠垂直埋管犬布置方式。4/24診/202照321土壤換蝕熱器埋兄管的布掘置型式1水平愛(ài)埋管:水平埋態(tài)管主要躁有單溝儉單管、榴單溝雙觀管、單鑼溝二層牛雙管、重單溝二羅層四管釀、單溝朱二層六膊管等形香式。4/24井/202瓜322土壤換熱朱器埋管的誤布置型式2垂柳直埋管煙:一般有張單U乘形管，項(xiàng)雙U遣形管，束W型管殼、套管客式管，澡小直徑演螺旋盤粗管和大匪直徑螺泛旋盤管濟(jì)，立式溝柱狀管匠、蜘蛛掠狀管等手形式；蒸按埋設(shè)沙深度不他同分為球淺埋（燈≤30朱m）、晃中埋（結(jié)31～每80m截）和深帶埋（>魔80m棚）。目眠前使用雨最多的窩是單U股形管機(jī)（Si趨ngl弱e-U鳥-pi鈴pe）戲，雙U采形管記（Do城ubl汪e-U饞-pi庫(kù)pe）顆，簡(jiǎn)單幟套管式臣管（S味imp取le另Coa聯(lián)xia乞lp迫ipe母）4/24肅/202墊323土壤換棕?zé)崞髀袼俟艿牟吉?jiǎng)置型式3土壤怕?lián)Q熱器的赤埋管深度午：①鉆井衫深60衰m以以內(nèi)井深塞的鉆機(jī)悄成本少督，費(fèi)用進(jìn)低，如李果大于把60m需，其鉆快機(jī)成本登會(huì)提高邪；②井溫深80眨m以例內(nèi)，可浸用國(guó)產(chǎn)遍普通型鴿承壓（緩承壓1嗓.0M豈Pa）滾塑料管悠，如深尿度大于情80m踢，需采載用高承豈壓塑料吊管，其瞇成本大祝大增加季；③據(jù)敢比較，等井深5都0m挎的造價(jià)醒比10虛0m幣的要低家30%悟～50知%。上伙述是針擴(kuò)對(duì)地面知中央機(jī)煤房而言最，如果冒采用分襯室型的詢水源熱代泵系統(tǒng)椅還要考鋼慮建筑前高度的坐影響。從統(tǒng)計(jì)的慮國(guó)內(nèi)外工則程實(shí)例看星，中埋的戶地源熱泵渣占多數(shù)。4/2癢4/2側(cè)02324連接方式地下?lián)Q進(jìn)熱器中嘩流體流倍動(dòng)的回秧路形式妄有串聯(lián)教和并聯(lián)詳兩種串聯(lián)系言統(tǒng)管徑邁較大,傻管道費(fèi)驢用較高企,并且喊壓降特蹈性限制敗了系統(tǒng)掙能力。連并聯(lián)系統(tǒng)管徑芽較小管道補(bǔ)費(fèi)用較低器,且常常見(jiàn)布置成同族程式,當(dāng)嘩每個(gè)并聯(lián)就環(huán)路之間流量平暑衡時(shí),竊其換熱歇量相同符,其壓齊降特性險(xiǎn)有利于宿提高系獨(dú)統(tǒng)能力呀。因此,茶實(shí)際工程一般衣都采用并秋聯(lián)同程式楚。4/2列4/2稍02325管材選息擇及長(zhǎng)床度計(jì)算管材選宮擇地埋管慨應(yīng)采用影化學(xué)穩(wěn)定性好五、耐腐蝕興、導(dǎo)熱系兇數(shù)大、流級(jí)動(dòng)阻力小的塑料除管材及齒管件，與宜采用腐聚乙烯漁管（PE）或聚亮丁烯管肺（PB）。（PE材料按桿照國(guó)際背上統(tǒng)一籍的標(biāo)準(zhǔn)壟劃分為漁五個(gè)等外級(jí)：PE32級(jí)、PE40級(jí)、PE6誼3級(jí)、PE8直0級(jí)和PE1夸00級(jí)。用于怒地源熱泵蘋管道PE管的生擠產(chǎn)為高鵲密度聚賤乙烯HDPE，其等刪級(jí)是PE8灰0、PE1趟00兩種）闖。地埋管兵長(zhǎng)度計(jì)括算地源熱泵救換熱器的薪換熱量應(yīng)怪該滿足空濟(jì)調(diào)主機(jī)實(shí)堵際所需最輛大吸熱量丹和施熱量峽。根據(jù)現(xiàn)念場(chǎng)實(shí)測(cè)陪的巖土垮體及回恥填材料局的熱物冊(cè)性，以票及熱泵塞機(jī)參數(shù)客、建筑尾物逐月會(huì)負(fù)荷、貝設(shè)定循帳環(huán)液體幣進(jìn)出溫燭度、給德定換熱命器結(jié)構(gòu)校尺寸，付采用專用軟跡件進(jìn)行計(jì)算室。也可以前用半經(jīng)怖驗(yàn)公式恨計(jì)算。4/24絡(luò)/202繞326地埋換熱頃器系統(tǒng)水拴力計(jì)算管道壓力水損失計(jì)算在同程項(xiàng)系統(tǒng)中,選擇壓尋力損失哭最大的頭熱泵機(jī)點(diǎn)組所在宋環(huán)路作為最頂不利環(huán)路轉(zhuǎn)進(jìn)行阻力陪計(jì)算。循環(huán)泵的它選擇單機(jī)揚(yáng)最程一般答不超32m，變流頑量水泵煩，功率嘩不超過(guò)30kw。塑料管陶的摩擦鼓阻力遠(yuǎn)掏比鐵管膀小。4/2題4/2崖02327確定埋管向管長(zhǎng)與埋雖管間距地下熱交捐換器長(zhǎng)度沸的確定除閑了已確定催的系統(tǒng)布舒置和管材午外，還需崖要有當(dāng)?shù)亟赖耐寥兰及托g(shù)資料，呼如地下溫梳度、傳熱販系數(shù)等（域通過(guò)熱響祥應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)蛇得）。4/24熱/202膜328近管壁躁土壤熱倉(cāng)物性與躁換熱能莊力關(guān)系回填土佩的熱物揮性對(duì)埋圾管的換貓熱能力歌影響非頌常大，戀因?yàn)槁裢旯芙谟商幫寥犁姷臒嶙鑶∈侵饕G熱阻，超顯然隨種回填土光材料熱父導(dǎo)率的府增加而敲增大，安埋管的永換熱能譜力增加效，為夏季埋創(chuàng)管平均最賭高溫度隨偶回填土導(dǎo)窮熱系數(shù)關(guān)蘋系。但回填泳土的導(dǎo)灰熱系數(shù)田大于某縮慧一臨界搏值時(shí)，博強(qiáng)化換淡熱不明認(rèn)顯，還誓會(huì)導(dǎo)致壩換熱管死短路。4/2葬4/2腐02329五、地顆下熱平妖衡設(shè)計(jì)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2009》規(guī)定：地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最小計(jì)算周期宜為一年。計(jì)算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋（排）熱量宜與其總吸（取）熱量相平衡。各種設(shè)計(jì)戲方案的機(jī)登理依據(jù)巖倍土體的梁熱平衡顫狀況：懼即不同企地區(qū)氣鹽候條件束、不同貿(mào)功能的丸空調(diào)房叫間和不趙同運(yùn)行凳方式所峽形成的罪累積排附熱量與欄累積取晝熱量的桿狀況。4/24恥/202瘦330全年累積丸排、取熱養(yǎng)量比ral全年累積排、取熱量比ral（ratioofaccumulatedloads）是全年向地埋管換熱器的總排熱量與其總?cè)崃恐取?/p>

當(dāng)ral=1

地下巖土年平均溫度保持不變Q排=Q取當(dāng)ral>1Q排>Q取地下巖土年平均溫度逐年升高當(dāng)ral<1Q排<Q取地下巖土年平均溫度逐年降低目標(biāo)：巖土溫體度不變盡量減填少對(duì)機(jī)杰組和環(huán)陳境的影蕉響4/24捷/202旁331歷年累咐積排、病取熱總讀量曲線ral≈1的工國(guó)程，冬季型開始供摟熱使用嘆，然躍后在夏永季制冷成，全年象冬夏季機(jī)取排熱殊總量相僻等，負(fù)索荷總量園變化曲恩線為曲棚線①。反之周，夏季開神始制冷使椅用，則為替曲線④。

歷年負(fù)荷總量累積曲線

1、4－平衡型2－累積排熱型3－累積取熱型

歷年累積排取熱量Q/GJ4/24劍/202賠332熱平衡朗設(shè)計(jì)的衫九種設(shè)包計(jì)方案據(jù)巖土體勒的累積排蜜熱量和累延積取熱量存的平衡狀多況和我國(guó)喬不同地域惹、不同氣互候特點(diǎn)，膨提出以下趁9種設(shè)計(jì)潮方案：方案1已地埋填管+熱凱泵機(jī)組方案2包地埋佛管+熱訓(xùn)泵機(jī)組怨+冷卻馳塔方案3盆地埋管+釘熱回收熱淘泵機(jī)組方案4翁地埋管+飯熱回收熱峰泵機(jī)組+才冷卻塔方案5薄地埋管+摔雙冷凝器頌熱泵機(jī)組茶+閉式冷饞卻塔方案6還地埋管+船熱泵機(jī)組善+擴(kuò)大供湯熱面積方案7禽地埋管+熊熱泵機(jī)組蒸+輔助熱愿源方案8劫地埋管+治熱泵機(jī)組享+太陽(yáng)能方案9布地埋牢管+熱遺泵機(jī)組引+通風(fēng)厘表冷器4/2客4/