地源熱泵工程實(shí)例

1、地源熱泵工程實(shí)例土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，重點(diǎn)論述了地下熱交換器的設(shè)計(jì)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(jì) The Design Ways of Ground-coupled Heat Pump System By Hu Jianping Abstract: In this paper the design ways and steps of ground-coupled heat pump system have been introduced. The design of the underground heat e

2、xchanger 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 Design Shanghai University of Engineering Science，China 0 引言 隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)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)

3、是一種使用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(jī)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、

4、地表水并非到處可得，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(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，本文進(jìn)行了初步探討，以供參考。 1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟 （1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算 建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，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?？梢杂上率龉?計(jì)算： kW （1） kW （2） 其中Q1 夏季向土壤排放的熱量，kW Q1夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)

5、荷，kW Q2冬季從土壤吸收的熱量，kW Q2冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW COP1設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù) COP2設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù) 一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)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(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。 （2）地下熱交換器設(shè)計(jì) 這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì) 2.1 選擇熱交換器形式 2.1.1

6、 水平（臥式）或垂直（立式） 在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)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(huì)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(shí)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(shí)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(dá)180m。U型

7、管的典型環(huán)路有3種（詳見1），其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。 2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián) 地下熱交換器中流體流動(dòng)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(fèi)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(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)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(jìn)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(yán)重不

8、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(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。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(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(gè)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、32

9、mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對(duì)更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mHO/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(xiàn)2介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟, 很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)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(jì)時(shí)可取換熱能力的下

10、限值，即35W/m（管長），具體計(jì)算公式如下： （3） 其中 Q1豎井埋管總長，m L 夏季向土壤排放的熱量，kW 分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m 2.5 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(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目: （4） 其中 N豎井總數(shù)，個(gè) L豎井埋管總長，m H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(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)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(shí)例中提到DN25的U型

11、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 計(jì)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(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算。可采用當(dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實(shí)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(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚(yáng)程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)程，選擇滿足要求的水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)。 2.