土壤源熱泵系統(tǒng)地下熱交換器的設(shè)計方法

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    摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，重點論述了地下熱交換器的設(shè)計過程。并舉例加以說明。

    關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱交換器 設(shè)計

    0引言

    隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(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)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)。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、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驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計指導(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熱量計算

    建筑物冷熱負(fù)荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，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接嬎悖?

    kW（1）
     

kW（2）

    其中Q1＇――夏季向土壤排放的熱量，kW

    Q1――夏季設(shè)計總冷負(fù)荷，kW

    Q2＇――冬季從土壤吸收的熱量，kW

    Q2――冬季設(shè)計總熱負(fù)荷，kW

    COP1――設(shè)計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)

    COP2――設(shè)計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)

    一般地，水源熱泵機組的產(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)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的COP1、COP2。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。
    

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    （2）地下熱交換器設(shè)計

    這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(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

    2.1選擇熱交換器形式

    2.1.1水平（臥式）或垂直（立式）

    在現(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費用，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，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，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）。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時存在熱損失。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z*多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明：z*深的U型管埋深已達(dá)180m。U型管的典型環(huán)路有3種（詳見），其中使用z*普遍的是每個豎井中布置單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，管道費用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實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z*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

    在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（1）管道要大到足夠保持z*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、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，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4mH２O/100m當(dāng)量長度以下。
    

    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)介紹了一種計算方法共分9個步驟,很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。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70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

    設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計算公式如下：
     

（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50～100m，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目:
     

（4）

    其中N――豎井總數(shù)，個

    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。
    

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