第6章 土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)

第六章

土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)6.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介6.2現(xiàn)場調(diào)查與工程勘察6.3地埋管換熱器的管材與傳熱介質(zhì)6.4地埋管換熱器的布置形式6.5地埋管換熱器的傳熱計算6.6地埋管換熱器系統(tǒng)的水力計算6.7地埋管換熱器的安裝6.8直接膨脹式土壤源熱泵系統(tǒng)第六章土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)6.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介6.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介6.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介根據(jù)是否存在中間傳熱介質(zhì)，可以分為直接膨脹式和間接膨脹式。直接膨脹式土壤耦合熱泵是將低溫低壓的液態(tài)制冷劑（或高溫高壓的氣態(tài)制冷劑）直接送入地下埋管內(nèi)，制冷劑蒸發(fā)（或冷凝），直接與土壤進行換熱?？梢杂行У亟档统杀?，但是同時也存在著一些缺點和問題有待解決6.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介間接膨脹式的熱泵系統(tǒng)，土壤先與地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水泵驅(qū)動的中間傳熱介質(zhì)進行熱量交換，中間傳熱介質(zhì)從土壤中吸熱或向土壤放熱，然后中間傳熱介質(zhì)將冷（熱）量通過熱泵機組實現(xiàn)供熱和制冷循環(huán)。它與直接膨脹型相比可以減少制冷劑的充灌量，增加了熱泵系統(tǒng)的靈活性，同時減免了制冷管路的安裝，使現(xiàn)場工程量減至最低。其缺點在于引入帶有熱交換器的額外流體環(huán)路，增加了初投資，還帶來額外的溫降。為此應盡可能地優(yōu)化設計水回路，改善載冷劑的流體性質(zhì)。設計計算前的準備工作是通過現(xiàn)場勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、設置測試孔和監(jiān)測孔以及熱響應試驗等，為方案選擇與決策提供依據(jù)，同時也為設計計算提供設計材料和基礎依據(jù)。之后進行的是地埋管換熱器的傳熱分析，地埋管換熱器的傳熱計算即地埋管的設計計算過程，包括是否采用土壤耦合熱泵系統(tǒng)形式的方案決策與選擇階段、設計計算材料的搜集和準備階段以及具體的設計計算階段。分析決定具體采用哪一種設計計算方法。最后就是具體的設計計算過程。介紹目前普遍采用的三種計算方法，這三種方法各有其適用范圍，也各有其優(yōu)勢及缺點，設計時應根據(jù)實際情況的不同來選用適當?shù)挠嬎惴椒ā?.1土壤耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡介6.2現(xiàn)場調(diào)查與工程勘察1現(xiàn)場勘察2水文地質(zhì)調(diào)查3設置測試孔與監(jiān)測孔4土壤熱響應實驗6.3地埋管換熱器的管材與傳熱介質(zhì)地埋管管材《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB50366-2005）》：（1）地埋管應采用化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導熱系數(shù)大、流動阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB），不宜采用聚氯乙烯管（PVC）。管件與管材應用相同的材料。（2）地埋管質(zhì)量應符合國家現(xiàn)行標準中的各項規(guī)定。管材的公稱壓力及使用溫度應滿足設計要求，且管材的公稱壓力不應小于1.0MPa。6.3地埋管換熱器的管材與傳熱介質(zhì)管材規(guī)格和壓力級別我國國家標準給出了地埋管換熱器管道外徑尺寸標準和管道的壓力級別。地埋管外徑及壁厚可按表6-1和表6-2的規(guī)定選用。相同管材的管徑越大，其管壁越厚。6.3地埋管換熱器的管材與傳熱介質(zhì)傳熱介質(zhì)傳熱介質(zhì)應以水為首選，也可選用符合下列要求的其他介質(zhì)：（1）安全，腐蝕性弱，與地埋管管材無化學反應；（2）較低的凝固點；（3）良好的傳熱特性，較低的摩擦阻力；（4）易于購買、運輸和儲藏。在傳熱介質(zhì)有可能凍結(jié)的場合，傳熱介質(zhì)應添加防凍液。應在充注閥處注明防凍液的類型、濃度及有效期。為了防止出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，添加防凍液后的傳熱介質(zhì)的凝固點宜比設計最低運行水溫低3~5℃。影響防凍液選擇的因素主要有：凝固點、周圍環(huán)境的影響、費用和可用性、熱傳導、壓降特性以及與土壤耦合熱泵系統(tǒng)中所用材料的相容性。由于防凍液的密度、黏度、比熱和熱導率等物性參數(shù)與純水都有一定的差異，這將影響冷凝器（制冷工況）和蒸發(fā)器（制熱工況）內(nèi)的換熱效果，從而影響整個熱泵機組的性能。6.4地埋管換熱器的布置形式1埋管方式可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。水平埋管方式在軟土地區(qū)造價較低，但傳熱條件受外界氣候條件的影響、占地面積大，通常不太適合中國地少人多的國情。當可利用地表面積較大、地表層不是堅硬的巖石、建筑物規(guī)模小時宜采用水平地埋管換熱器。水平埋管時根據(jù)一條溝中埋管的多少和方式又分為單管、雙管、多管和螺旋管等多種形式。豎直地埋管換熱器的優(yōu)點是占地少、工作性能穩(wěn)定等。根據(jù)在豎直鉆孔中布置的埋管形式的不同，豎直地埋管換熱器又可分為U形地埋管換熱器與套管式地埋管換熱器。套管式地埋管換熱器在造價和施工方面都有一些弱點，在實際工程中較少采用。選擇水平埋管還是豎直埋管的另一個需要考慮的因素是建筑物高度。如果地下埋管和建筑物內(nèi)管路間沒有用熱交換器隔開，豎直埋管換熱器的埋深將受到地下埋管（SDR11）的最大額定承壓能力的限制。工程上應進行相應計算，以驗證系統(tǒng)最下端管道的靜壓是否在管路最大額定承壓范圍內(nèi)。若其靜壓超過地埋管換熱器的承壓能力時，可設中間換熱器將地埋管換熱器與建筑物內(nèi)系統(tǒng)分開。6.4地埋管換熱器的布置形式水平埋管6.4地埋管換熱器的布置形式考慮到我國人多地少的實際情況，在大多數(shù)情況下豎直埋管方式是惟一的選擇，它已成為工程應用中的主導形式。豎直埋管6.4地埋管換熱器的布置形式采用豎直埋管換熱器時，每個鉆孔中可設置一組或兩組U形管。盡管單U形埋管的鉆孔內(nèi)熱阻比雙U形埋管大30%以上，但實測與計算結(jié)果均表明：雙U形埋管比單U形埋管僅可提高15%~20%的換熱能力，這是因為鉆孔內(nèi)熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分。豎直埋管6.4地埋管換熱器的布置形式串聯(lián)并聯(lián)6.4地埋管換熱器的布置形式6.4地埋管換熱器的布置形式6.5地埋管換熱器的傳熱計算豎直地埋管換熱器的長度豎直地埋管換熱器布置方式和管材選定后，應通過計算確定其長度。計算時應考慮管材、巖土體及回填材料熱物性、傳熱介質(zhì)的物性及流動狀態(tài)、熱泵機組特性及建筑物的冷（熱）負荷等因素。為了確保計算結(jié)果的準確性，建議采用專用軟件進行。對于實際工程計算，常采用半經(jīng)驗公式進行設計計算。以下介紹三種方法（1）《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB50366-2005）》推薦的設計計算方法（2）按現(xiàn)場測試獲得的單位鉆孔深度（或管長）的換熱量確定其長度（3）按線算圖確定豎直地埋管換熱管的孔深與管長（1）《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB50366-2005）》推薦的設計計算方法①豎直地埋管換熱器的熱阻計算②豎直地埋管換熱器鉆孔的長度計算6.5地埋管換熱器的傳熱計算（2）按現(xiàn)場測試獲得的單位鉆孔深度（或管長）的換熱量確定其長度6.5地埋管換熱器的傳熱計算（3）按線算圖確定豎直地埋管換熱管的孔深與管長設計地埋管換熱器時，環(huán)路集管不包括在地埋管換熱器總長內(nèi)6.5地埋管換熱器的傳熱計算6.6地埋管換熱器系統(tǒng)的水力計算1壓力損失計算(1)確定管內(nèi)流體的流量G，m3/h和公稱直徑；(2)根據(jù)公稱直徑，確定地埋管的內(nèi)徑dj，m2；(3)計算地埋管的斷面面積A，m2；(4)計算管內(nèi)流體的流速V應注意，地埋管換熱器內(nèi)流體流動應為紊流，流速應大于0.4m/s(5)雷諾數(shù)Re的計算，Re應該大于2300以確保紊流。(6)計算管段的沿程阻力損失Py(7)計算管段的局部阻力損失Pj(8)計算管段的總阻力損失PZ2循環(huán)泵的選擇根據(jù)地埋管換熱系統(tǒng)水力計算的設計流量環(huán)路總的阻力損失，再分別加10％～20％的安全系數(shù)后作為選擇循環(huán)泵組時所需要依據(jù)的流量和揚程

在選擇中應注意：①如選兩臺泵，應選擇其工作特性曲線平坦型的。②水泵長時間工作點應位于最高效率點附近的區(qū)間內(nèi)。6.6地埋管換熱器系統(tǒng)的水力計算6.7地埋管換熱器的安裝管道安裝可伴隨著挖溝同步進行。挖溝可使用挖掘機或人工挖溝。如采用全面敷設水平埋管的方式設置換熱器，也可使用推土機等施工機械，挖掘埋管場地.水平埋管6.7地埋管換熱器的安裝27放線、鉆孔U形管現(xiàn)場組裝、試壓與清洗下管與二次試壓回填封孔與土壤熱物性測定環(huán)路集管連接豎直埋管6.7地埋管換熱器的安裝28放線、鉆孔U形管現(xiàn)場組裝、試壓與清洗下管與二次試壓回填封孔與土壤熱物性測定環(huán)路集管連接豎直埋管6.7地埋管換熱器的安裝29放線、鉆孔U形管現(xiàn)場組裝、試壓與清洗下管與二次試壓回填封孔與土壤熱物性測定環(huán)路集管連接豎直埋管6.7地埋管換熱器的安裝地埋管換熱系統(tǒng)的檢驗與水壓試驗（1）地埋管換熱系統(tǒng)的檢驗（2）地埋管水壓試驗（3）水壓試驗步驟（4）水壓試驗方法6.7地埋管換熱器的安裝6.8直接膨脹式土壤源熱泵系統(tǒng)與間接膨脹式土壤耦合熱泵相比，直接膨脹式土壤耦合熱泵特點有：①系統(tǒng)效率高。與間接膨脹式系統(tǒng)相比，DX-GCHP系統(tǒng)少了中間換熱器和循環(huán)水泵，沒有中間換熱損失和循環(huán)水泵功耗，因而系統(tǒng)效率較高。②占地面積較小。由于銅的導熱系數(shù)高于聚乙烯數(shù)十倍以上，管內(nèi)制冷劑流速大于間接膨脹