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地源热泵工程实例土壤源热泵系统的设计方法摘要本文主要介绍了土壤源热泵系统的设计方法和步骤重点论述了地下热交换器的设计过程并举例加以说明关键词土壤源热泵热交换器设计引言随着我国建筑业持续发展对建筑节能的要求越来越高而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分因此设法减小这两部分能耗意义非常显著地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能环保型的系统冬季通过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热夏季向大地释放热量给建筑物供冷相应地地源热泵系统分土壤源热泵系统地下水热泵系统和地表水热泵系统种形式土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器地下水热泵系统分为开式闭式两种开式是将地下水直接供到热泵机组再将井水回灌到地下闭式是将地下水连接到板式换热器需要二次换热地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器虽然采用地下水地表水的热泵系统的换热性能好能耗低性能系数高于土壤源热泵但由于地下水地表水并非到处可得且水质也不一定能满足要求所以其使用范围受到一定限制国外如美国欧洲主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导本文进行了初步探讨以供参考土壤源热泵系统设计的主要步骤建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同可参考有关空调系统设计手册在此不再赘述冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量可以由下述公式计算其中夏季向土壤排放的热量夏季设计总冷负荷冬季从土壤吸收的热量冬季设计总热负荷设计工况下水源热泵机组的制冷系数设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量制热量以及制冷系数供热系数计算时应从样本中选用设计工况下的若样本中无所需的设计工况可以采用插值法计算地下热交换器设计这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容主要包括地下热交换器形式及管材选择管径管长及竖井数目间距确定管道阻力计算及水泵选型等在下文将具体叙述其它地下热交换器设计选择热交换器形式水平卧式或垂直立式在现场勘测结果的基础上考虑现场可用地表面积当地土壤类型以及钻孔费用确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式尽管水平布置通常是浅层埋管可采用人工挖掘初投资一般会便宜些但它的换热性能比竖埋管小很多并且往往受可利用土地面积的限制所以在实际工程中一般采用垂直埋管布置方式根据埋管方式不同垂直埋管大致有种形式型管套管型单管型详见套管型的内外管中流体热交换时存在热损失单管型的使用范围受水文地质条件的限制型管应用最多管径一般在以下埋管越深换热性能越好资料表明最深的型管埋深已达型管的典型环路有种详见其中使用最普遍的是每个竖井中布置单型管串联或并联地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种串联系统管径较大管道费用较高并且长度压降特性限制了系统能力并联系统管径较小管道费用较低且常常布置成同程式当每个并联环路之间流量平衡时其换热量相同其压降特性有利于提高系统能力因此实际工程一般都采用并联同程式结合上文即常采用单型管并联同程的热交换器形式选择管材一般来讲一旦将换热器埋入地下后基本不可能进行维修或更换这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足且需要埋入地下的管道的数量较多应该优先考虑使用价格较低的管材所以土壤源热泵系统中一般采用塑料管材目前最常用的是聚乙烯和聚丁烯管材它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状可以保证使用年以上而管材由于不易弯曲接头处耐压能力差容易导致泄漏因此不推荐用于地下埋管系统确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求管道要大到足够保持最小输送功率管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热显然上述两个要求相互矛盾需要综合考虑一般并联环路用小管径集管用大管径地下热交换器埋管常用管径有管内流速控制在以下对更大管径的管道管内流速控制在以下或一般把各管段压力损失控制在当量长度以下确定竖井埋管管长地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外还需要有当地的土壤技术资料如地下温度传热系数等文献介绍了一种计算方法共分个步骤很繁琐并且部分数据不易获得在实际工程中可以利用管材换热能力来计算管长换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量一般垂直埋管为井深或管长水平埋管为管长左右设计时可取换热能力的下限值即管长具体计算公式如下其中竖井埋管总长夏季向土壤排放的热量分母是夏季每管长散热量确定竖井数目及间距国外竖井深度多数采用设计者可以在此范围内选择一个竖井深度代入下式计算竖井数目其中竖井总数个竖井埋管总长竖井深度分母是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的倍然后对计算结果进行圆整若计算结果偏大可以增加竖井深度但不能太深否则钻孔和安装成本大大增加关于竖井间距有资料指出型管竖井的水平间距一般为也有实例中提到的型管其竖井水平间距为而的型管其竖井水平间距为若采用串联连接方式可采用三角形布置详见来节约占地面积计算管道压力损失在同程系统中选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算可采用当量长度法将局部阻力件转换成当量长度和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度再乘以不同流量不同管径管段每管道的压降将所有管段压降相加得出总阻力水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失再加上热泵机组平衡阀和其他设备元件的压力损失确定水泵的扬程需考虑一定的安全裕量根据系统总流量和水泵扬程选择满足要求的水泵型号及台数校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力若不计竖井灌浆引起的静压抵消管路所需承受的最大压力等于大气压力重力作用静压和水泵扬程一半的总和即其中管路最大压力建筑物所在的当地大气压地下埋管中流体密度当地重力加速度地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差水泵扬程