樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在具體工程中的應(yīng)用

1、樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在具體工程中的應(yīng)用 【摘要】樁埋管和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，發(fā)展成為了一個(gè)新型的地源熱泵埋管方式，它大大提高了建筑物的地基面積的利用率。借助于樁基，與大地進(jìn)行熱交換。從而有效降低了鉆孔和埋管的成本。本文通過(guò)與其他埋管方式的對(duì)比，詳細(xì)的分析了樁埋管的優(yōu)點(diǎn)，比如經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，并且采用理論和實(shí)際相結(jié)合的論證方式為廣大設(shè)計(jì)師們提供了一種全新的埋管方式，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 【關(guān)鍵詞】樁埋管；地源熱泵；經(jīng)濟(jì)性；節(jié)能性 0引言 地源熱泵是一種用于冬季供暖、夏季制冷和供應(yīng)生活熱水的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，但是，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的水平和垂直埋管的換熱方式，均受到占用土地面積和打井

2、、埋管投資過(guò)高等相關(guān)因素的影響，或多或少的在一定程度上影響了樁埋管優(yōu)勢(shì)的完全發(fā)揮。樁埋管作為一種新的埋管方式，它在建筑混凝土的樁基中埋設(shè)u型管換熱器，將樁埋管和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，大大提高了建筑物地基面積的利用率，減少了打井及相關(guān)的成本和費(fèi)用，建筑物樁基本身具有一定的特性，提高了u型管和樁之間、以及樁和大地之間的接觸程度，從而提高了熱傳遞的效率，提高循環(huán)介質(zhì)與大地之間的傳熱速率。并且本文通過(guò)介紹樁埋管的各種形式，進(jìn)而得出與建筑物最相符合的一種樁埋管的形式的最優(yōu)方案，同時(shí)還采用相關(guān)的理論和建筑工程的實(shí)踐來(lái)分析樁埋管的優(yōu)點(diǎn)，以此來(lái)論證樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種高效經(jīng)濟(jì)的熱泵系統(tǒng)。 1實(shí)例分析 某

3、辦公樓安裝的地埋管換熱器采用了兩種方式：樁埋管以及垂直豎井埋管。埋管的材料均為高密度聚乙烯塑料，該材料和常規(guī)材料相比，具有很好的耐熱性和耐寒性。樁埋管深埋地下20m，共有60口井。垂直豎井埋管深埋地下90m，鉆井直徑為150mm，共有21口井。如圖1所示，為地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行流程展示。該系統(tǒng)除了地下埋管換熱器閉式循環(huán)系統(tǒng)，還有半封閉單螺桿壓縮式地源熱泵機(jī)組和空調(diào)末端循環(huán)系統(tǒng)。處于制冷工況時(shí)，1、3、5、7閥門(mén)開(kāi)啟，2、4、6、8閥門(mén)關(guān)閉，地下埋管與熱泵機(jī)組冷凝器相接，室內(nèi)冷凍水管與蒸發(fā)器相接，通過(guò)冷凝載體循環(huán)，將熱量釋放到土壤中去。供熱工況時(shí)剛好相反，閥門(mén)反向，從地下土壤吸收熱量。在該地源熱泵系

4、統(tǒng)中，地下布置了14個(gè)測(cè)溫點(diǎn)來(lái)觀察熱泵運(yùn)行前后土壤溫度的變化。如圖2所示，、?分別位于樁埋、井埋附近，距離樁、井中心都是0.5m，深度方向間隔（相互之間的距離）都為4米。是樁埋管和井埋管共用的，深度為8m，水平距離0.5m，到和到?水平距離也是0.5m。測(cè)溫部件銅-康銅鎧裝熱電偶、流量傳送器、功率變送器、plc下位機(jī)、組態(tài)王軟件和pc上位機(jī)組成了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集系統(tǒng)（scada）。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集由鎧裝t型熱電偶傳感器產(chǎn)生的420madc標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)下位機(jī)plc送至上位機(jī)pc完成。 2樁埋管的系統(tǒng)分析 和常規(guī)空調(diào)相比，地源熱泵是優(yōu)良的制備冷源和熱源的設(shè)備，并且還有效率高、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。地源熱泵

5、常規(guī)的埋設(shè)方式有兩種：水平埋管以及垂直埋管。這兩種埋設(shè)的地源熱泵的換熱方式都受限于多個(gè)因素，包括設(shè)備占用土地面積、地埋管初期的成本等。 作為地源熱泵的一種新型的埋管方式，與水平埋管和垂直埋管不同的是，樁埋管將u型換熱器埋設(shè)在建筑物的混凝土中，將其結(jié)合在建筑物的結(jié)構(gòu)中，極大的提高了建筑物的利用率，借助于樁基，樁埋管與大地形成了良好的熱交換，提高了換熱效率，增強(qiáng)了傳熱介質(zhì)與大地的傳熱效率。 在埋管換熱量計(jì)算及設(shè)計(jì)上和其他的地源熱泵相比，樁埋管并沒(méi)有什么大的不同，只是有幾點(diǎn)特殊之處，首先，應(yīng)用于埋管的樁的數(shù)量與樁的尺寸和長(zhǎng)度相關(guān)，一旦明確了樁的尺寸和長(zhǎng)度，其埋管的數(shù)量也就確定了。換言之，冷熱負(fù)荷的增

6、加不能作為增加樁的數(shù)量的依據(jù)。樁埋管冷熱的輸出功率不能達(dá)到要求時(shí)，應(yīng)該改換其他形式的埋管，或者不改變埋管形式和數(shù)量，而是增加冷卻塔以及鍋爐進(jìn)行彌補(bǔ)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要維持地下?lián)Q熱器的熱平衡，當(dāng)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷之間存在較大的差距時(shí)，應(yīng)該選用小的負(fù)荷值來(lái)確定埋管長(zhǎng)度，同時(shí)可以添加一定的輔助設(shè)備來(lái)維持大的負(fù)荷。土壤的地?zé)嵝阅軐?duì)樁埋管的影響與對(duì)其他形式的地源熱泵的影響一樣很重要，需要在前期進(jìn)行地質(zhì)勘查報(bào)告和熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，測(cè)得土壤的組成成分、土壤溫度、熱導(dǎo)率、熱容量、水質(zhì)特性和水流方向及速度，這些參數(shù)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的意義。 3樁埋管的方案設(shè)計(jì) 3.1巖土試驗(yàn) 在樁埋管的方案設(shè)計(jì)之前，要先進(jìn)

7、行室外鉆孔試驗(yàn)，在相關(guān)的儀器使用之下進(jìn)行巖土的熱響應(yīng)試驗(yàn)，并且利用相關(guān)的分析軟件進(jìn)行分析得出相應(yīng)的結(jié)果，比如初始溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容等等，其次要進(jìn)行樁基的測(cè)孔，采用巖土的熱物性測(cè)試儀再一次進(jìn)行巖土的熱響應(yīng)試驗(yàn)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件分析在此得出相關(guān)的初始溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容。通過(guò)巖土的熱響應(yīng)試驗(yàn)，可以得出相應(yīng)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案，而得出的數(shù)據(jù)中也可得知在夏季和冬季采用地埋管時(shí)釋放和提取得熱量的差異。 我們選擇 7月16日、8月7日、8月11日機(jī)組滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行的3d天進(jìn)行分析。處理的3d數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖知，樁埋管沿深度方向單位換熱量基本穩(wěn)定在125w/m。 例舉工程的地基采用了鋼筋混凝

8、土空心管樁，可以利用一部分管樁安裝地埋管，既可以解決面積不足的問(wèn)題，也可以節(jié)約一定的成本費(fèi)用；同時(shí)在實(shí)際操作的過(guò)程中也要考慮相關(guān)的因素，如室外埋管和根基埋管的長(zhǎng)度、接管是否方便、運(yùn)行調(diào)節(jié)是否可靠等，為此就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案來(lái)加以解決。如圖4的樁埋管接管示意圖。 3.2機(jī)房設(shè)計(jì) 樁埋管地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備選型與布置與常規(guī)的地源熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)并無(wú)差別。機(jī)房?jī)?nèi)主要設(shè)備均為地源熱泵主機(jī)、與之配套的負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵及埋管側(cè)循環(huán)泵、軟水處理裝置、集分水器以及埋管側(cè)和負(fù)荷側(cè)的定壓裝置，需要說(shuō)明的是，地源熱泵埋管側(cè)的定壓通常采用高位水箱，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，水力工況穩(wěn)定，且很容易找到水箱的設(shè)置位置。 4對(duì)樁埋管的評(píng)價(jià) 樁埋管

9、的應(yīng)用，可以有效的解決其他埋管形式在工程應(yīng)用中的瓶頸，十分適合我國(guó)的國(guó)情，目前雖然對(duì)于樁埋管的技術(shù)還沒(méi)有從理論上更加系統(tǒng)的進(jìn)行研究，所以我們就需要了解影響樁埋管樁埋管的因素，從而對(duì)癥下藥，提高樁埋管與建筑結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合率，從理論上深入的研地源熱泵系統(tǒng)的流動(dòng)性能以及傳熱效果，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)樁埋管地源熱泵，降低樁埋管換熱器的熱阻，提高其傳熱效率，將其在更廣泛的范圍中應(yīng)用。在此過(guò)程中要想提高樁埋管的利用率，就需要充分了解哪些因素會(huì)對(duì)樁埋管換熱產(chǎn)生影響，使其不能夠被更廣泛的人群所了解和使用：埋管形式，樁基埋管形式很多，各種形式的換熱能力不同。埋管數(shù)量，樁埋管的直徑一般很大，埋管數(shù)量的多少直接影響到樁埋管的

10、應(yīng)有效性。循環(huán)液的流量，一定程度增加循環(huán)液的流量可以提高樁埋管的換熱效率，但流量太大換熱效果提高不顯著，反而會(huì)增加功耗。樁基的布置，布置太密會(huì)形成“熱屏障”，造成熱短路不利于換熱，應(yīng)充分考慮間距的選取，布置形式可以是直線、平行線或者是環(huán)線。運(yùn)行工況的選取，間歇運(yùn)行工況有利于土壤溫度的恢復(fù)從而改善換熱能力。土壤特性，土壤中的含水量的變化影響換熱能力，研究表明土壤的含濕量在25%50%之間時(shí)，換熱能力隨含濕量的增加而變化明顯。從上述的影響因素可知，在我們進(jìn)行樁埋管的過(guò)程中還受到諸多因素的影響，只有對(duì)樁埋管進(jìn)行全面的分析和評(píng)價(jià)，才能更好的掌握樁埋管的相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，服務(wù)于現(xiàn)實(shí)。 5結(jié)語(yǔ) 近年來(lái)，隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的突出，建筑節(jié)能越來(lái)越受到人們的重視。地源熱泵由于其高效、環(huán)保和節(jié)能的特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外很多的建筑中都得到了應(yīng)用，同時(shí)不少學(xué)者對(duì)該技術(shù)作了深入的研究，使得該項(xiàng)理論得到更深入的發(fā)展。這也為樁埋管地源熱泵在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用打下了理論基礎(chǔ)。我們?cè)趯?shí)際的生活過(guò)程中，除了對(duì)于建筑質(zhì)量追求之外，還要求所居住及工作的建筑內(nèi)有良好的生態(tài)環(huán)境和舒適的供冷供暖系統(tǒng)，樁埋管地源熱泵系統(tǒng)作為一種全新的埋管形式之一，滿(mǎn)足了人們對(duì)于該項(xiàng)系統(tǒng)的追求，同時(shí)它也有助于在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)還能夠在一定程度上節(jié)約能