地源熱泵工程設(shè)計(jì)方法與實(shí)例講解

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簡介： 本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，重點(diǎn)論述了地下熱交換器的設(shè)計(jì)過程。并舉例加以說明。
關(guān)鍵字：土壤源熱泵 熱交換器

0 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(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非常顯著。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(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?zé)峤粨Q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(jī)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(zhì)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(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，本文進(jìn)行了初步探討，以供參考。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟

（1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算

建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?？梢杂上率龉絒2]計(jì)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(jì)總冷負(fù)荷，kW

Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW

COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)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(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。

（2）地下熱交換器設(shè)計(jì)

這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)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(shè)計(jì)

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(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)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[3]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根據(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(shí)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(dá)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(gè)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動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)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(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)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(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)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(yán)重不足，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(jià)格較低的管材。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(dǎo)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(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(gè)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，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)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(dāng)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(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻(xiàn)[2]介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟, 很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)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[3]。

設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計(jì)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?dāng)?shù)目及間距

國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目:

（4）

其中 N——豎井總數(shù)，個(gè)

L——豎井埋管總長，m

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(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)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4.5m[3]，也有實(shí)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3m[4]。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置（詳見[2]）來節(jié)約占地面積。

2.6 計(jì)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(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實(shí)際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)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(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚(yáng)程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)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(jì)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(yáng)程一半的總和[1]，即：

其中ｐ ——管路最大壓力，Pa

ｐ_o——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a

ρ——地下埋管中流體密度，kg/m³

g ——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2

h——地下埋管最低點(diǎn)與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)的高度差，m

ρh——水泵揚(yáng)程，Pa

3 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(diǎn)處（一般為1m）設(shè)計(jì)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(yuǎn)大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價(jià)格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計(jì)供熱工況下最大吸熱量來設(shè)計(jì)，同時(shí)增加輔助換熱裝置（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(dú)立于冷卻塔運(yùn)行）承擔(dān)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(fèi)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(jì)舉例

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積212m²。

4.1.1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

夏季室外干球溫度tw＝34℃, 濕球溫度ts＝28.2℃

冬季室外干球溫度tw＝-4℃, 相對濕度φ＝75％

4.1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

夏季室內(nèi)溫度tn＝27℃, 相對濕度φn＝55％

冬季室內(nèi)溫度tn＝20℃, 相對濕度φn＝45％

4.2 計(jì)算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備

參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負(fù)荷的計(jì)算方法，計(jì)算得到各房間冷熱負(fù)荷并選擇風(fēng)機(jī)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(jì)總冷負(fù)荷為24.54kW，冬季設(shè)計(jì)總熱符負(fù)荷為16.38kW，選擇WPWD072型水源熱泵機(jī)組2臺，本設(shè)計(jì)舉例工況下的 COP1＝3.3，COP2 ＝3.7。

4.3 計(jì)算地下負(fù)荷

根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算得

kW

kW

取夏季向土壤排放的熱量　Q1 ＇進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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

根據(jù)公式（3）計(jì)算得

m

4.6 確定豎井?dāng)?shù)目及間距

選取豎井深度50m，根據(jù)公式（4）計(jì)算得

個(gè)

圓整后取10個(gè)豎井，豎井間距取4.5m。

4.7 計(jì)算地埋管壓力損失

參照本文2.6介紹的計(jì)算方法，分別計(jì)算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10―11―11′－1′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(jī)組的管路壓力損失，以及熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚(yáng)程為15mH2O。

4.8 校核管材承壓能力

上海夏季大氣壓力ｐ_o ＝100530 Pa，水的密度 ρ＝1000 kg/m３，

當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭 ＝9.8 m/s2，高度差h＝50.5 m

重力作用靜壓ρgh ＝494900 Pa

水泵揚(yáng)程一半0.5 ρh＝7.5 mH2O＝73529 Pa

因此，管路最大壓力 ｐ＝ｐ_o＋ρgh＋0.5 ρh＝668959 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(jì)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)具有廣闊的應(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(qiáng)化、土壤性質(zhì)等）的研究還很有限，設(shè)計(jì)時(shí)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)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)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)采用豎直U型埋管方式。

（2）盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管，但并聯(lián)方式采用小管徑，初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，所以在實(shí)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(jì)成同程式。

（3）選擇管徑時(shí)，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m（當(dāng)量長度）以下，同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐偉等.地源熱泵工程技術(shù)指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.11

[2] 謝汝鏞.地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì).現(xiàn)代空調(diào)，2001.3：33～74

[3] 肖益民等.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工方法及應(yīng)用實(shí)例.現(xiàn)代空調(diào)，2001.3：88～100

[4] 王勇.地源熱泵研究（1）——地下?lián)Q熱器性能研究：[碩士學(xué)位論文].重慶:重慶建筑大學(xué)，1997

作者簡介：

★胡建平 女 1973年1月生,碩士,講師,200336 上海市仙霞路350號，上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械學(xué)院熱能與動力工程系，(021) 62759779-5007，E-mail: laoyu278@sohu.com或chochou@sina.com.cn