土壤源熱泵系統地下熱交換器的設計方法

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    摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統的設計方法和步驟，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

    0引言

    隨著我國建筑業持續發展，對建筑節能的要求越來越高，而供熱系統和空調系統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是一種使用可再生能源的高效節能、環保型的系統。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，地源熱泵系統分土壤源熱泵系統、地下水熱泵系統和地表水熱泵系統3種形式。

    土壤源熱泵系統的核心是土壤耦合地熱交換器。

    地下水熱泵系統分為開式、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。

    地表水熱泵系統與土壤源熱泵系統相似，用潛在水下并聯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、地表水的熱泵系統的換熱性能好，能耗低，性能系數高于土壤源熱泵，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）主要研究和應用的地源熱泵系統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。目前缺乏系統設計數據以及較具體的設計指導，本文進行了初步探討，以供參考。

    1 土壤源熱泵系統設計的主要步驟

    （1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算

    建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，在此不再贅述。

    冬夏季地下換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。可以由下述公式計算：

    kW（1）
     

kW（2）

    其中Q1＇――夏季向土壤排放的熱量，kW

    Q1――夏季設計總冷負荷，kW

    Q2＇――冬季從土壤吸收的熱量，kW

    Q2――冬季設計總熱負荷，kW

    COP1――設計工況下水源熱泵機組的制冷系數

    COP2――設計工況下水源熱泵機組的供熱系數

    一般地，水源熱泵機組的產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、供熱系數，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。
    

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    （2）地下熱交換器設計

    這部分是土壤源熱泵系統設計的核心內容，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）

    在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，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、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條件的限制。U型管應用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180m。U型管的典型環路有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串聯或并聯

    地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。結合上文，即常采用單U型管并聯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定并且耐腐蝕。常規空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多，應該優先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統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，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統。

    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保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內流速控制在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布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。文獻介紹了一種計算方法共分9個步驟,很繁瑣，并且部分數據不易獲得。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確定豎井數目及間距

    國外，豎井深度多數采用50～100m，設計者可以在此范圍內選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數目:
     

（4）

    其中N――豎井總數，個

    L――豎井埋管總長，m

    H――豎井深度，m

    分母“2”是考慮到豎井內埋管管長約等于豎井深度的2倍。
    

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