地源熱泵工程實例

1、地源熱泵工程實例土壤源熱泵系統(tǒng)的設計法 摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設計法和步驟，重點論述了地下熱交換 器的設計過程。并舉例加以說明。關鍵詞：土壤源熱泵熱交換器設計The Design Ways of Ground-coupled Heat Pump SystemBy Hu Jianping Abstract: In this paper the designways and steps ofground-coupledheat pump system have beenintroduced. Thedesign of theunderground heat exchanger has

2、been discussed indetails, and anexample has been taken to illustrate the process of the design.Keywords: Ground-coupled heat pump Heat exchanger Design,ChinaShanghai University of Engineering Science0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)和空調系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的

3、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熱交換器。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，且水質也不一定能滿

4、足要求， 所以其使用圍受到一定限制。國外(如美國、歐洲)主要研究和應用的地源熱泵 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)設計數(shù)據(jù)以及較具體的設計指導，本文進行了初步探討，以供參考。1 土壤源熱泵系統(tǒng)設計的主要步驟(1)建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調系統(tǒng)冷熱負荷計算法相同，可參考有關空調系統(tǒng)設計手冊，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。可以由下述公式2計算：kW (1)kW (2)其中Q1 / 夏季向土壤排放的熱量，kWQ1 夏季設計總冷負荷，kWQ2 冬季從土壤吸收的熱量，kWQ2 冬

5、季設計總熱負荷，kWCOP1 設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)COP2 設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)，計算時應從樣本中選用設計工況下的COP1、COP2。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。(2)地下熱交換器設計這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設計的核心容，主要包括地下熱交換器形式及管材（在下選擇，管徑、管長及豎井數(shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。文將具體敘述）（3）其它2地下熱交換器設計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)場勘測結果的基礎上，考慮現(xiàn)場可用地表面

6、積、當?shù)赝寥李愋鸵约般@費 用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置式。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3, 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根據(jù)埋管式不同，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）0套管型的、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用 圍受水文地質條件的限制。U型管應用最多，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180m。U型管的典 型環(huán)路有3種（詳見1）,其中使用最普遍的是每個豎井中布置單 U型

7、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，用聯(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，當每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，具換熱量 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，基本不可能進行維修或更換，這就要 求保證埋入地下管材的化學性質穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調系統(tǒng)中使用的金屬管 材在這面存在重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多， 應該優(yōu)先考慮使用價 格較低的管材。

8、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 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保持紊流以保證流體與管道壁之間的傳熱。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，管流速控制在1.22m/s以下,對更大管

9、徑的管道，管流速控制在2.44m/s 以下或一般把各管段壓力損失控制在 4mH 2O/100m當量長度以下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?shù)氐耐寥兰夹g資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻 2介紹了一種計算法共分9個步驟，很繁瑣，并且部分數(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70110W/m（井深），或3555W/m（管長），水平埋管為 2040W/m （管長）左右3。設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

10、豎井埋管總長，mL 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/m2.5 確定豎井數(shù)目及間距國外，豎井深度多數(shù)采用 50100m2,設計者可以在此圍選擇一個豎井 深度H ,代入下式計算豎井數(shù)目：(4)其中N 豎井總數(shù)，個L豎井埋管總長，mH 豎井深度，m分母“ 2”是考慮到豎井埋管管長約等于豎井深度的2倍。然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太 深，否則鉆和安裝成本大大增加。關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 例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m ,而DN20的U型管，其豎 井水平間距為3m4 o若采用串聯(lián)連接式，可采用三角形布置(詳見 2)來節(jié) 約占地面積。2.6 計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組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯斄块L度法，將局部阻力件轉換成當量長度，和管道實際長度 相加得到各不同管徑管段的總當量長度，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)上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失， 再加上熱泵機組、平衡閥和 其他設備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng) 總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。2.8 校核