淺談?wù)劦卦礋岜每照{(diào)設(shè)計(jì)

1、淺談?wù)劦卦礋岜每照{(diào)設(shè)計(jì)摘要： 地源熱泵是節(jié)能、環(huán)保型冷熱源裝置。豎直埋管式地源熱泵還具有對地下水無污染，并不影響地面沉降的優(yōu)點(diǎn)，而且占地少、投資小、施工快。采用綜合傳熱系數(shù)法，可大大簡化地源熱泵的傳熱計(jì)算。豎直埋管式地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)步驟，可規(guī)范工程設(shè)計(jì)、減少設(shè)計(jì)失誤，并能提高設(shè)計(jì)速度。 關(guān)鍵詞： 地源熱泵 豎直埋管 綜合傳熱系數(shù) 1 概述 地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。因此，目前在國內(nèi)空調(diào)行業(yè)引起了人們廣泛的關(guān)注，希望盡快應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)?，F(xiàn)在尚未見到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)手冊供設(shè)計(jì)人員使用，但又不能等待設(shè)計(jì)手冊出版后才使用地源

2、熱泵技術(shù)。筆者從實(shí)踐角度對中小型地源熱泵空調(diào)工程設(shè)計(jì)程序進(jìn)行深討，供同行討論。 地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)。本文將著重探討有關(guān)地下?lián)Q熱器的問題。 2 地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式 眾所周知，熱泵機(jī)組的熱源有空氣源、水源、土壤源等。 土壤源熱泵空調(diào)也叫地源熱泵空調(diào)，就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動通過循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)組向建筑物供熱（供熱工況）。 土壤源熱泵換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積

3、，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。 3 豎直埋管換熱器型式 最常用的豎直埋管換熱器就是由垂直埋入地下的u型管連接組成。 3.1 豎直埋管深度 豎直埋管可深可淺，須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定，如20m、30m 直到200m以下。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。例如天津地區(qū)地表土壤層很厚，鉆孔費(fèi)用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節(jié)約用地。 3.2 豎直埋管材料 埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱

4、性能可滿足換熱要求、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管（pe管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如dn20、dn25、dn32等。 3.3 豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料 豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)深度，將制作好的u型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有u型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。 根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，鉆孔孔徑可以是100、150、200或300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用300孔徑。 回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際

5、測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價(jià)低，可廣泛采用。 4 豎直埋管換熱器中循環(huán)水溫度的設(shè)定 豎直埋管換熱器中流動的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。 設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)定和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。如夏季溫度設(shè)定較低，對熱泵壓縮機(jī)制冷工況有利，機(jī)組耗能少，但埋管換

6、熱器換熱面積要加大，即鉆孔數(shù)要增加，埋管長度要加長。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)cop值下降，能耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。筆者認(rèn)為埋管水溫應(yīng)如下設(shè)定： 4.1 熱泵機(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計(jì)供回水溫度為712，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入u管的最高溫度應(yīng) 37，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。 4.2 熱泵機(jī)組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應(yīng)盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機(jī)組運(yùn)行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。 我們知道風(fēng)機(jī)盤管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負(fù)荷大于冬季熱

7、負(fù)荷，所以風(fēng)機(jī)盤管的選型是以夏季冷負(fù)荷選型、冬季熱負(fù)荷校核。采用地源熱泵空調(diào)冬季供熱時(shí)，可根據(jù)冬季熱負(fù)荷實(shí)際情況，讓風(fēng)機(jī)盤管冬季也滿負(fù)荷運(yùn)行而反算出供熱水溫度，此溫度要小于常規(guī)空調(diào)60的供水溫度（大約供水為40左右）。將此溫度定為熱泵機(jī)組冬季供水溫度。供回水溫差取710。 地埋管中循環(huán)水冬季進(jìn)水溫度，以水不凍結(jié)并留安全余地為好，可取34。當(dāng)然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價(jià)、增加對設(shè)備的腐蝕。在嚴(yán)寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可

8、滿足要求，不一定要加防凍液。 5 換熱面積與綜合傳熱系數(shù) 5.1 換熱面積 一般換熱器換熱面積計(jì)算公式為： 式中 ： q換熱器換熱量 w； k傳熱系數(shù) w/m； t對數(shù)溫差 。 5.2 綜合傳熱系數(shù) 地埋管換熱器用以上公式計(jì)算很不方便，因?yàn)楹茈y確定其換熱面積。 豎直埋管換熱器可以假設(shè)為“線熱源”模型。引入綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則較為簡單、方便。 這里，將以某一流經(jīng)地埋管換熱器內(nèi)的流體介質(zhì)與大地初始溫度每相差1，通過單位長度換熱管，單位時(shí)間所傳遞的熱量定義為綜合傳熱系數(shù)k。 式中： k綜合傳熱系數(shù) w/m； q換熱器單位時(shí)間換熱量，q=c m(t進(jìn)-t出) w； l換熱管有效長度 m； tp流體

9、介質(zhì)平均溫度， ； t進(jìn)u型管換熱器進(jìn)水溫度 ； t出u型管換熱器出水溫度 ； c 水比熱4.180kj/kgk； m 水的質(zhì)量流量 kg/s； td 地溫 。 地溫是恒定值，可通過測井實(shí)測。有關(guān)資料介紹某地地下約100米的地溫是當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶?左右。天津市年平均氣溫是12.2，實(shí)測天津市地下約100米的地溫約為16，基本符合以上規(guī)律。 影響豎直埋管綜合傳熱系數(shù)的因素有：地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、埋管深度、埋管材料及管徑、鉆孔直徑及回填材料、管中水的流速、熱泵運(yùn)行方式（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)還是間斷運(yùn)轉(zhuǎn)）。 綜合傳熱系數(shù)k可通過測井測得。由公式可以看出，做一個(gè)地面鉆孔與預(yù)計(jì)工程應(yīng)用完全相同的u型豎直埋管，人為制

10、作冷、熱源，通入冷、熱水，測出各個(gè)參數(shù)帶入公式即可計(jì)算出綜合傳熱系數(shù)。 測井也可測出u型豎埋管出水溫度t出 。 綜合傳熱系數(shù)k在系統(tǒng)運(yùn)行初期波動值較大，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后其值趨于一穩(wěn)定值。我們通過實(shí)測k值波動在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在目前數(shù)據(jù)資料較少情況下可取波動平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)誤差不會太大。 6 豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì) 6.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)與熱泵機(jī)組 6.1 .1 計(jì)算建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷及冬季熱負(fù)荷。 6.1.2 確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進(jìn)出水溫度，進(jìn)而確定機(jī)組中工質(zhì)的夏季蒸發(fā)溫度及冷凝溫 度。 6.1.3 計(jì)算冬季風(fēng)機(jī)盤管的供水溫度，取回水溫度比供水溫度低712。設(shè)定地埋管進(jìn)水

11、溫度，根據(jù)測井測出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。 6.1.4 由建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷、機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負(fù)荷和冬季機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝 溫度，就可以進(jìn)行熱泵機(jī)組的選型設(shè)計(jì)，或?qū)?shù)提供給生產(chǎn)廠家，由廠家制造熱泵機(jī)組。 6.1.5 確定熱泵機(jī)組型式（活塞機(jī)、螺桿機(jī)、蝸旋壓縮機(jī)等），查出或計(jì)算出 該機(jī)組在夏季埋管水溫最高時(shí)和冬季埋管水溫最低時(shí)工況下的cop值。6.2 計(jì)算夏季總放熱量和冬季總吸熱量 6.2.1 夏季豎直埋管換熱器總放熱量等于建筑總冷負(fù)荷加上埋管最高水溫時(shí)機(jī)組消耗功率（機(jī)組消耗功率等于夏季冷負(fù)荷除以埋管最高水溫時(shí)的co

12、p值）。 6.2.2 冬季豎直埋管換熱器總吸熱量等于建筑物總熱負(fù)荷減去埋管最低水溫 時(shí)機(jī)組所消耗的功率（機(jī)組消耗功率等于冬季熱負(fù)荷除以埋管最低水溫時(shí)cop值）。 6.3 計(jì)算豎直埋管總長度 6.3.1 夏季豎直埋管總長度計(jì)算 夏季換熱溫差dtx 8c dtx=tx-td 式中： tx 夏季豎直埋管內(nèi)最高設(shè)計(jì)平均水溫 8c； td 地溫 8c。 夏季每米豎直埋管散熱量qx w/m qx=kx dtx 式中： kx 夏季綜合傳熱系數(shù) w/m8c。 夏季豎直埋管換熱器埋管總長度lx m 式中： q夏建筑物夏季總冷負(fù)荷 w； a安全系數(shù)，取1.1-1.2。 6.3.2 冬季豎直埋管總長度計(jì)算 冬季換熱

13、溫差 dtd 8c dtd=td-td 式中: td 冬季豎直埋管內(nèi)最低設(shè)計(jì)平均水溫 8c。 冬季每米豎直埋管散熱量qd w/m qd=kd dtd 式中： kd 冬季綜合傳熱系數(shù) w/m8c。 冬季豎直埋管換熱器埋管總長度ld m 式中： q冬建筑物冬季總熱負(fù)荷 w； a安全系數(shù) 取1.1-1.2。 6.3.3 確定豎直埋管換熱器埋管總長度 以上計(jì)算取lx、ld二者中較大數(shù)值為本工程埋管總長度l m。 6.4 計(jì)算豎直埋管數(shù)量并確定布置形式 6.4.1 豎直埋管數(shù)量計(jì)算 式中: nu型豎直埋管個(gè)數(shù)； h豎直埋管設(shè)計(jì)有效深度 m； l埋管總長度 m。 6.4.2 豎直埋管布置形式 結(jié)合工程場地

14、可一字型布置、l型布置或矩陣型布置均可，根據(jù)測試結(jié)果分析,u型豎直埋管間距以56m為宜。 6.5 確定豎直埋管水流速度與水泵選型 6.5.1 確定水流速 試驗(yàn)顯示，豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當(dāng)增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應(yīng)為紊流狀態(tài)，流速太快會增加循環(huán)水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。 6.5.2 確定水泵型號 流速確定后計(jì)算循環(huán)水流量及壓力損失即可選擇循環(huán)水泵的型號。 7 結(jié)論 7.1 地源熱泵空調(diào)是節(jié)能、環(huán)保、對地下水無污染，并不影響地面沉降的好形式。特別是豎直埋管地源熱泵更具有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)予推廣。 7.2 采用土壤鉆孔的綜合傳熱系數(shù)法，可簡化地源熱泵的傳熱計(jì)算。 7.3 豎