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文檔簡介
1、地源熱泵工程設(shè)計方法與實例講解摘要: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 0 引言隨著我國建筑業(yè)持續(xù)進展,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特別顯著。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)1。冬季通過吸取大地的能量,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熱交換器。
2、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)相像,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。雖然接受地下水、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、地表水并非處處可得,且水質(zhì)也不肯定能滿足要求,所以其使用范圍受到肯定限制。國外(如美國、歐洲)主要商量和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論商量和實驗商量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)以及較簡略的設(shè)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(shè)計的主要步驟(
3、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(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同,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取的熱量??梢杂上率龉?計算:kW (1) kW (2)其中Q1 夏季向土壤排放的熱量,kW Q1夏季設(shè)計總冷負荷,kW Q2冬季從土壤吸取的熱量,kW Q2冬季設(shè)計總熱負荷,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、C
4、OP2 。若樣本中無所需的設(shè)計工況,可以接受插值法計算。(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、管長及豎井數(shù)目、間距確定,管道阻力計算及水泵選型等。(在下文將簡略敘述)(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?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費用,確定熱交換器接受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,可接受人工挖掘,初投資一般會廉價些,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,一般接受垂直埋管
5、布置方式。依據(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型管。2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián)地下熱交換器中流體流淌的回路形式有串聯(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,當每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時,其換熱量相同,其壓降
6、特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,實際工程一般都接受并聯(lián)同程式。結(jié)合上文,即常接受單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,基本不行能進行維修或更換,這就要求保證埋入地下管材的化學性質(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峻不足,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)中一般接受塑料管材。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堅固的外形,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,不推舉用于地下埋管系統(tǒng)。2.3 確定
7、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,上述兩個要求相互沖突,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)流速掌握在1.22m/s以下,對更大管徑的管道,管內(nèi)流速掌握在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失掌握在4mHO/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(shù)資料,如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻2介紹了一種計算方
8、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(shè)計時可取換熱能力的下限值,即35W/m(管長),簡略計算公式如下:(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/m2.5 確定豎井數(shù)目及間距國外,豎井深度多數(shù)接受50100m2,設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H,代入下式計算豎井數(shù)目:(4) 其中 N豎井總數(shù),個 L豎井埋管總長,m
9、 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。然后對計算結(jié)果進行圓整,若計算結(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。若接受串聯(lián)連接方式,可接受三角形布置(詳見2)來節(jié)省占地面積。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??山邮墚斄块L度法,將局部阻力件轉(zhuǎn)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
10、量、不同管徑管段每100m管道的壓降,將全部管段壓降相加,得出總阻力。2.7 水泵選型依據(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(shè)備元件的壓力損失,確定水泵的揚程,需考慮肯定的平安裕量。依據(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 校核管材承壓能力管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消,管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和1,即:其中 管路最大壓力,Pa o建筑物所在的當?shù)卮髿鈮?,Pa 地下埋管中流體密度,kg/m3 g 當?shù)刂亓铀俣?,m/s2 h地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差,
11、m h水泵揚程,Pa3 其它3.1 與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似,需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處(一般為1m)設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐,放氣閥等附件。3.2 在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng)中,系統(tǒng)的供冷量遠大于供熱量,導致地下熱交換器十分龐大,價格昂貴,為節(jié)省投資或受可用地面積限制,地下埋管可以依據(jù)設(shè)計供熱工況下最大吸熱量來設(shè)計,同時增加幫助換熱裝置(如冷卻塔板式換熱器,板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行)擔當供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費用,保證地源熱泵系統(tǒng)具有更大的市場前景,尤其適用于改造工程1。4 設(shè)計舉例4.1 設(shè)計參數(shù)上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積2
12、12m2。4.1.1 室外設(shè)計參數(shù)夏季室外干球溫度tw34, 濕球溫度ts28.2冬季室外干球溫度tw-4, 相對濕度754.1.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn27, 相對濕度n55冬季室內(nèi)溫度tn20, 相對濕度n454.2 計算空調(diào)負荷及選擇主要設(shè)備參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負荷的計算方法,計算得到各房間冷熱負荷并選擇風機盤管型號;考慮房間共用系數(shù)(取0.8),得到建筑物夏季設(shè)計總冷負荷為24.54kW,冬季設(shè)計總熱符負荷為16.38kW,選擇WPWD072型水源熱泵機組2臺,本設(shè)計舉例工況下的 COP13.3,COP2 3.7。4.3 計算地下負荷依據(jù)公式(1)、(2)計算得kW kW 取
13、夏季向土壤排放的熱量Q1 進行設(shè)計計算。4.4 確定管材及埋管管徑選用聚乙烯管材PE63(SDR11),并聯(lián)環(huán)路管徑為DN20,集管管徑分別為DN25、DN32、DN40、DN50,如圖1所示。4.5 確定豎井埋管管長依據(jù)公式(3)計算得m4.6 確定豎井數(shù)目及間距選取豎井深度50m,依據(jù)公式(4)計算得個圓整后取10個豎井,豎井間距取4.5m。4.7 計算地埋管壓力損失參照本文2.6介紹的計算方法,分別計算1234567891011111各管段的壓力損失,得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機組的管路壓力損失,以及熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失,所選水泵揚程為15mH
14、2O。4.8 校核管材承壓能力上海夏季大氣壓力o 100530 Pa,水的密度 1000 kg/m, 當?shù)刂亓铀俣萭 9.8 m/s2,高度差h50.5 m 重力作用靜壓gh 494900 Pa 水泵揚程一半0.5 h7.5 mH2O73529 Pa 因此,管路最大壓力 ogh0.5 h668959 Pa(約0.7Mpa)聚乙烯PE63(SDR11)額定承壓能力為1.0MPa,管材滿足設(shè)計要求。5 結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有寬闊的應(yīng)用前景,但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素(如地下熱交換器的傳熱強化、土壤性質(zhì)等)的商量還很有限,設(shè)計時大致可以遵循以下原則:(1)若建筑物周圍可利用地表面積充足,應(yīng)首先考慮接受比較經(jīng)濟的水平埋管方式;相反,若建筑物周圍可利用地表面積有限,應(yīng)接受豎直U型埋管方式。(2)盡管可以接受串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管,但并聯(lián)方式接受小管徑,初投資及運行費用均較低,所以在實際工程中常用,且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡,最好設(shè)計成同程式。(3)選擇管徑時,除
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