地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)與設(shè)計(jì)介紹

1、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)與設(shè)計(jì)介紹GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM TECHOLOGY AND DESIGN二00四年十二月目錄第一局部、地源熱泵工作原理 第二局部、 地源熱泵系統(tǒng)的分類與應(yīng)用方式 第三部 分、地源熱泵的方案設(shè)計(jì)一、地源熱泵GSHP的系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)二、土壤熱泵系統(tǒng)GCHP的方案設(shè)計(jì)三、水源熱泵系統(tǒng)GWHP的方案設(shè)計(jì)四、地表水熱泵系統(tǒng) SWHP 的方案設(shè)計(jì) 附 1、地源熱泵工程的常用技術(shù)手段第一局部、地源熱泵工作原理、熱泵工作原理作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫，用著名的 熱力學(xué)第二定律準(zhǔn)確表述是：“熱量不可能自發(fā)由低溫傳

2、遞到高溫。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如 同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵 實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一局部能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提 高溫位進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié) 能特點(diǎn)。2的咬對(duì)勺n熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設(shè)備組成及功能是一樣的，對(duì)蒸氣壓縮式熱泵(制冷)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成：壓縮機(jī)(Compressor)起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用， 是熱泵(制冷)系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器(Evaporator)是輸出 冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)

3、節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的；冷凝器筑oen龍網(wǎng)出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)消 耗功所轉(zhuǎn)化的熱量 在冷凝器也冷卻介質(zhì)帶走，到達(dá)制熱的目的；膨脹閥(Expansion Valve)或節(jié)流閥(Throttle Valve)對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的功(電能)起到補(bǔ)償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低 溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復(fù)地進(jìn)行循環(huán)二、熱泵機(jī)組的分類熱泵機(jī)組是需要冷凝器的熱量，蒸發(fā)器那么從環(huán)境中取熱，此時(shí)從環(huán)境取熱的對(duì)象稱為熱源； 相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器那

4、么向環(huán)境排熱，此時(shí)向環(huán)境排熱的對(duì)象稱為冷源。蒸發(fā)器冷凝器根據(jù)循環(huán)工質(zhì)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵機(jī)組或制冷機(jī)根據(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同， 可分為水一水式，水一空氣式，空氣一水式， 和空氣一空氣式共四類。利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且其安裝 和使用都很方便，應(yīng)用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差異，在我國(guó)典型應(yīng)用圍是長(zhǎng)江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運(yùn)行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因?yàn)榇嬖诮Y(jié)霜問(wèn)題，效率低下。利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。 水是一種優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水

5、源熱泵的制冷供熱效率或能力 高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制，水源熱泵的應(yīng)用圍遠(yuǎn)不及空氣源熱泵。三、地源熱泵工作原理及分類 地源熱泵是利用水與地能地下水、土壤或地表水進(jìn)行冷熱 交換來(lái)作為熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取出來(lái)，供給室采暖，此時(shí)地能為“熱源；夏季把室熱量取出來(lái)， 釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三局部：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室采暖空調(diào) 末端系統(tǒng)。其中地源熱泵機(jī)組主要有兩種形式：水一水式或水一空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或 空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換 熱介質(zhì)可以是水或空氣。水

6、一水式水一ST式顯執(zhí)綢地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點(diǎn):(1)全年溫度波動(dòng)小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般 可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用 40%左右。(2)冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和 除霜的損失。(3)地源有較好的蓄能作用。四、地源應(yīng)用分類地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器， 收集了 47 %的太陽(yáng)能量，比人類每年利用能量的500 倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無(wú)處不在。地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一 年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是熱泵很好的供熱熱源和 供冷冷源。SQ1302

7、7QDay of th* YearaBrco><LUCUU-月平均溫度隨深度的變化情況根據(jù) ASHRAE Han dbook: HVAChulon深度.土cj度m波動(dòng)情況Applications.( 1995)的分類，地源熱泵屬于地?zé)崮苜Y源(Geothermal Energy Sourse ) 利用的一個(gè)大類，地源熱泵按照室外換熱方 式不同又可分為四類：1.埋管式土壤源熱泵地超應(yīng)用分類系統(tǒng)，2.地下水熱泵系統(tǒng)，3.單井換熱熱井閉4.地表水熱泵系統(tǒng)。 系統(tǒng)，地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)北歐及中歐局部國(guó)家倡導(dǎo)利用淺層地?zé)?些國(guó)家更為關(guān)注地下季節(jié)性蓄能應(yīng)用，地源 Thermal Energ

8、y Storage ，UTES 應(yīng)用領(lǐng)域， 地下埋管式蓄能(DTES or BTES)與熱泵機(jī)組中低翻田*冋口有涓熱硏“昨0© 貢朗干熱田發(fā)電SWHP以及地下蓄能為建筑物提供冬夏季供暖及空調(diào)，這 熱泵又可以歸und其中最重要的、占有絕大局部的一個(gè)應(yīng)用分支是壤源熱泵系統(tǒng)，如以下圖所示的分類:STESCTESUTESGCHP握管式土壇源嫌DTES or BTES地下理管式蕃能ATES II1HP合蕊誓E |1 1GWHP諜井目褥木謀鵜泵第二局部、地源熱泵系統(tǒng)的分類與應(yīng)用方式一、地源熱泵系統(tǒng)的分類1埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)(Ground-couple heat pumpsG

9、CHP)或土壤熱交換器地源熱泵(Ground heat excha nger heat pumps )，包括一個(gè)土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它或是水平地安裝在地溝中， 或是以U形管狀垂直安裝在豎井之中。通過(guò)中間介質(zhì)(通常為水或者是參加防凍劑的水)作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地?zé)峤粨Q器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與土壤進(jìn)行熱交換的目的。1 水平埋管地源熱泵系統(tǒng)(Horizontal ground-coupled heat pump ) 比擬簡(jiǎn)單的方式是， 當(dāng)室負(fù)荷比擬小，土壤換熱器長(zhǎng)度比擬短，可以把與單回路管子隨開挖土方施工直接埋入地下當(dāng)室負(fù)荷比擬大，土壤換熱器長(zhǎng)度比擬長(zhǎng)，就需要考慮換熱器的布置問(wèn)

10、題，常有的布置方式有 以下兩種.(a) 串聯(lián)式水平埋管(b)并聯(lián)式水平埋管2) 垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)(Vertical borehole grou nd-coupled heat pump )(a)比擬簡(jiǎn)單的方式是，當(dāng)室負(fù)荷比擬小，土壤換熱器長(zhǎng)度比擬短，換熱器井?dāng)?shù)比擬少可以直 接接入機(jī)房(b) 當(dāng)室負(fù)荷比擬大，土壤換熱器長(zhǎng)度比擬長(zhǎng)，就需要考慮換熱器井群的布置問(wèn)題，一般是假設(shè) 干口井聚集到集水器中，然后統(tǒng)一由干管接入機(jī)房。Manifold inside or at the buildingConnection in bie field換熱需井管路肓接接入si房換熱醫(yī)井管路5T集到集水器g 9CG

11、 mmWall of pile(c) 垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器(或叫做能量樁，Energy Piles)，即在樁基里布設(shè)在換熱管道。Heat exchanger pipes(d) 地?zé)嶂悄軜颍愃茦痘鶕Q熱器，由橋板中埋管的地源熱泵自動(dòng)融雪的橋被稱為地?zé)嶂悄軜蜓┞涞綐蛎婧?，這些盤管利用地?zé)釋⒀┤诨５卦礋岜玫拈_啟靠輸入的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)來(lái)控制3) 螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)(sli nky grou nd-coupled heat pump)(a)長(zhǎng)軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)"Slinky1' collector(b)長(zhǎng)軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)(盤旋

12、布置埋管地源熱泵系統(tǒng))Svec spiral collector(c )螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫：溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也 有學(xué)者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。trench collector也就是通常所說(shuō)的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過(guò)建造抽水井群將地下水抽出，通過(guò)二次無(wú)論是深換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下井水，還是地下熱水都是熱泵的良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年根本不變，對(duì)熱泵 的運(yùn)行十分有利。深井水的水溫一般約比當(dāng)?shù)貧鉁馗?2C。通常系統(tǒng)包括

13、帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行Pump |單井換熱熱井(Standing column well heat pumps, SCW )也就是單管型垂直埋管地源熱泵, 在國(guó)外常稱為"熱井"。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)套，直徑和孔徑一致；地下 水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一局部在 地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余局部在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通 過(guò)埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為 150mm 孔深 450m>water t

14、ablegravel IPump3、地表水熱泵系統(tǒng)(Surface-water heat pumps, SWHPs ):由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū) 需要進(jìn)行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫(kù)水以及海水作為熱泵冷熱源4、此外，還有一種“直接膨脹式 (Direct-Expansion ),它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì) 水來(lái)傳遞熱量，而是直接將熱泵的蒸發(fā)器(Refrigera nt in Tubes)直接埋入地下進(jìn)行換熱,即制冷劑直接進(jìn)入地下回路進(jìn)行換熱，由于取消了板式或者套管式式換熱器，換熱效率有所提 高，

15、但是由于制冷劑使用量比擬大，整體經(jīng)濟(jì)性和平安性不高。二、地源熱泵應(yīng)用方式地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對(duì)象可分為家用和商用兩大類，1. 家用系統(tǒng) 用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供給，多用于小型住 宅，別墅等戶式空調(diào)。2. 商用系統(tǒng)G£HP家用系統(tǒng)帛"=一QHHH11L.GSHP商用系統(tǒng)口 acaa口 nrnrlm從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)1)集中系統(tǒng)熱泵布置在機(jī)房，冷熱量集過(guò)風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。2分散系統(tǒng) 用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨(dú)使用自己的 熱泵機(jī)組調(diào)節(jié) 空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校

16、、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全 反響在用電上， 便于計(jì)量，適用于目前的獨(dú)立熱計(jì)量要求。3混合系統(tǒng)比心、.an冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。 南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源 和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地 區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋 爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源 的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。4水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)水環(huán)路熱泵Water-Loop Heat Pump，簡(jiǎn)稱WLHP空調(diào)系統(tǒng)，它由許多臺(tái)水源熱泵空調(diào)機(jī)WSHP暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。夏

17、季運(yùn)行：全部 或大多數(shù)機(jī)組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。 春季/ 秋季運(yùn)行：對(duì)有 區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會(huì)出現(xiàn)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，區(qū)的 熱量就可被周邊區(qū)所利用， 即區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時(shí)，室外的 冷熱源可以停運(yùn)。這種制冷 供熱同時(shí)進(jìn)行，能量在建筑物部轉(zhuǎn)移，運(yùn)行費(fèi)用最少，節(jié)能效果 明顯。冬季運(yùn)行：全部或大多數(shù)機(jī)組為供熱，供熱源地源或加熱源把熱量補(bǔ)充到水環(huán)路。第三局部、地源熱泵的方案設(shè)計(jì)一、地源熱泵 GSHP 的系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)1. 確定建筑物的冷熱設(shè)計(jì)負(fù)荷 設(shè)計(jì)負(fù)荷是用來(lái)確定系統(tǒng)設(shè)備的大小和型號(hào)的，根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷設(shè) 計(jì)空氣分布系統(tǒng)送風(fēng)口，回風(fēng)口和風(fēng)管系

18、統(tǒng)，設(shè)計(jì)負(fù)荷的計(jì)算必須以當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)日的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況為依據(jù)。在確定建筑 物的最大負(fù)荷時(shí)，必須逐時(shí)計(jì)算出每個(gè)房間、每個(gè)區(qū)域所必需的負(fù)荷信息，并求出其中的最大 值。 為了進(jìn)一步分析土壤熱泵系統(tǒng)的能耗情況，必須對(duì)建筑物進(jìn)行必要的能耗計(jì)算。通常所采 用的方法有：度日法，溫頻法和逐時(shí)法。度日法是最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，但通常結(jié)果不理想。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行效率取決于室外空氣條件時(shí)， 不能采用度日法計(jì)算該系統(tǒng)的能耗，例如土壤熱泵系統(tǒng)。溫頻法是將全年溫度劃分為假設(shè)干組，分別計(jì)算系統(tǒng)在每個(gè)溫度組的能耗量。溫頻法考慮 到 了外空氣的影響和局部負(fù)荷工況的影響， 而且該方法可以通過(guò)精確劃分滿足特殊系統(tǒng)的要求。 溫頻法計(jì)算能耗對(duì)于手算和

19、計(jì)算機(jī)計(jì)算都很方便。逐時(shí)法主要是用于需要確定大量細(xì)節(jié)的大型建筑的能耗計(jì)算，由于其計(jì)算量非常大，通常 采用計(jì)算機(jī)計(jì)算。2. 熱泵機(jī)組的選擇 對(duì)住宅和商業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備通常是一個(gè)機(jī)組模塊，一旦選定一個(gè)機(jī)組， 那么許多參數(shù)都是固定的，調(diào)節(jié)的余地不大。例如，土壤熱泵的設(shè)計(jì)水流量的調(diào)節(jié)圍也是有限的。因此，系統(tǒng) 的其他局部如風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)或土壤換熱器以及防凍循環(huán)泵等都必須與熱泵的制熱冷量要求 相匹配。在大型建筑熱泵系統(tǒng)，一般要采用二次輸送系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，中央機(jī)組確實(shí)定 應(yīng)滿足建筑物的最大負(fù)荷。而二次輸送系統(tǒng)中的空氣處理器的換熱能力應(yīng)滿足該區(qū)域的當(dāng)?shù)刎?fù) 荷。2.1 熱泵容量的選擇： 熱力循環(huán)原理說(shuō)明同一熱

20、泵不可能同時(shí)滿足冷熱兩種負(fù)荷。選擇熱泵容 量的依據(jù)究竟是熱負(fù)荷還是冷負(fù)荷呢？這個(gè)問(wèn)題的解決首先要考慮人的舒適感。當(dāng)系統(tǒng)的制冷量大于冷負(fù)荷時(shí)， 系統(tǒng)必須頻繁的啟動(dòng)，這會(huì)造成盤管的平均溫度升高，同時(shí)又不能去除室空氣中的濕度，頻 繁的循環(huán)還會(huì)降低設(shè)備的使用壽命，降低運(yùn)行效率，增加制冷過(guò)程的運(yùn)行費(fèi)用。設(shè)備選得過(guò)大 也會(huì)增加系統(tǒng)的初投資。因此，在地區(qū)選擇熱泵一般情況下應(yīng)該以冬季熱冷負(fù)荷為依據(jù)。由于在南方地區(qū)冷負(fù)荷相對(duì)較高，而冬季的熱冷負(fù)荷相對(duì)較低，在這種情況下，設(shè)備容量的選 擇可以適當(dāng)偏大，但一般不要超過(guò)熱負(fù)荷的 25%2.2熱泵性能確實(shí)定： 假定其他變量如空氣體積流量，室空氣溫度等保持不變，那么土壤熱

21、泵的 性能取決于熱泵的進(jìn)水溫度，必須確定室外空氣和進(jìn)水溫度之間的關(guān)系。進(jìn)水溫度與多個(gè)因素有關(guān)，如一年的 運(yùn)行時(shí)間，土壤類型，土壤換熱器的類型、大小等。當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，如果系統(tǒng)不頻繁運(yùn)行，進(jìn) 水溫度大約和地下土壤的溫度相同。3、地源熱泵循環(huán)水的換熱量計(jì)算由于無(wú)論是土壤熱泵系統(tǒng)的土壤換熱器，水源熱泵系統(tǒng)的管井還有地表水熱泵系統(tǒng)的地表水換熱器設(shè)計(jì)需要知道在某一特定階段從地下吸取的熱量或釋放到地下的熱量，即地源熱泵 循環(huán)水的換熱量，通常應(yīng)滿足一年中最冷月和最熱月的要求。在供冷季節(jié)，輸入系統(tǒng)的所有能量都必須釋放到地下，這些能量包括系統(tǒng)熱負(fù)荷、系統(tǒng)耗 功量和循環(huán)水泵的耗功量。循環(huán)泵耗功量可近似為泵的耗功量與

22、熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)的乘積。在供熱季節(jié)，從地下吸收的熱量等于設(shè)備的制熱量減去輸入的電功。輸入的熱量包括壓縮 機(jī)耗功量和循環(huán)水泵的耗功量。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?公式計(jì)算：f?1 ? + 1 ?Qi=Q1x?1kW(1)?CORi ?!Q2 :=Q2x?i1 ?- ?kW(2)?COP2 ?其中Q 夏季向淺層地表排放的熱量，kW Ql夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kWQ2 '冬季從淺層地表吸收的熱量，kW Q2冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOR 設(shè)計(jì)工況下水-水熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COF2設(shè)計(jì)工況下水-水熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)一般地，水-水熱泵的產(chǎn)品樣本中都給出

23、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 COR、COR,。假設(shè)樣本中無(wú)所需的設(shè)計(jì)工況，可 以采用插值法計(jì)算。4、選擇室末端系統(tǒng)地板采暖方式，全空氣系統(tǒng)等。通常采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時(shí)，空氣分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下三個(gè)方面：1選擇安裝風(fēng)管的最正確位置；2根據(jù)室的得熱量 / 熱損失計(jì)算來(lái)選擇并確定空氣分布器和回風(fēng)格柵的位置；3根據(jù)熱泵的風(fēng)量和靜壓力，布置風(fēng)管的走向，確定風(fēng)管的尺寸。室末端系統(tǒng)一般采用既能供熱又能供冷，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須二者兼顧。一個(gè)不能提供舒適性環(huán)境的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效率必然很低。土壤熱泵系統(tǒng)通常采用兩種類型的送風(fēng)系統(tǒng)：地板四周下 送風(fēng)系統(tǒng)和吊

24、頂上送風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于只有一層的建筑來(lái)說(shuō)，熱泵系統(tǒng)的送風(fēng)裝置的理想安裝位置就是沿房間外墻地板或四 周的地板。這種送風(fēng)方式是處理過(guò)的空氣形成一股垂直向上分散的氣流，這使系統(tǒng)無(wú)論在冬季 還是夏季都能保證良好的氣流分布和良好的舒適感。地板下送風(fēng)系統(tǒng)通常采用吊頂回風(fēng)或上回 風(fēng)方式回風(fēng)。上回風(fēng)系統(tǒng)中，頂棚周圍的熱空氣由于虹吸作用被吸入回風(fēng)管，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn) 行時(shí)冷空氣從地板下向上流動(dòng)，并充滿整個(gè)房間。由于在制冷運(yùn)行期間，將最熱的空氣返回系 統(tǒng)，故系統(tǒng)的效率較高。由于經(jīng)過(guò)土壤熱泵系統(tǒng)處理的空氣比空氣源熱泵處理的空氣溫度高，但比從鍋爐出來(lái)的空 氣溫度要低，為了保證能有一個(gè)舒適的環(huán)境，設(shè)計(jì)的風(fēng)管和散流器應(yīng)能向室送入

25、足夠的風(fēng)量。5、其他考前須知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。2 在某些商用或公用建筑物的土壤熱泵系統(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(lái)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 是使建筑物環(huán)路可以獨(dú)立于冷卻塔運(yùn)行承當(dāng)供冷工況下超過(guò)地下埋管換熱能力的那局部散 熱量。該方法可以降低安裝費(fèi)用，保證土壤熱泵系統(tǒng)具有更大的市場(chǎng)前景，尤其適用于改造工 程。地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成局部，是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

26、的核心容，其 選擇的形式是否合理，設(shè)計(jì)的是否正確，關(guān)系到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用。地下埋管換熱器設(shè)計(jì)主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。對(duì)于給定的建筑場(chǎng)地條件應(yīng)盡量使設(shè)計(jì)在滿足運(yùn)行需要 的同時(shí)本錢最低。土壤換熱器的選型主要涉及以下幾個(gè)方面：1土壤換熱器埋管的布置型式 目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種布置型式，即水平埋 管和垂直埋管。選擇方式主要取決于場(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虮惧X，如果場(chǎng)地足夠大且無(wú)堅(jiān)硬巖石，那么水平式較 經(jīng)濟(jì)；如果場(chǎng)地面積有限時(shí)那么采用垂直式布置，很多場(chǎng)合下這是唯一的選擇。實(shí)際工程中往往在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)

27、結(jié)果的根底上，考慮現(xiàn)場(chǎng)可用地外表積、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(huì)廉價(jià)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，故一般采用垂直埋管布置方式。2i.i 水平埋管 zhulong 水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形 式，由于多層埋管的下層管處于一個(gè)較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，換熱效率好于單層，而且占地面積較少, 因此應(yīng)用多層管的較多。nnnUMDLLOOP F IPEFILLH ACM FILLMIH. I MQ.4 NHIN O.e HMI

28、N.O.C NMU Nl. 1.2 H©©©©©©近年來(lái)國(guó)外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點(diǎn)是使地溝長(zhǎng)度縮短，而可埋設(shè)的管子長(zhǎng)度增加。管路的埋設(shè)視巖土情況，可采取挖溝或大面積開挖方法，在商用建筑的施工中常借助水利工程相關(guān)施工機(jī)械如開渠機(jī)等。況均應(yīng)埋在當(dāng)?shù)乇鶅鼍€以下。由于水平管埋深較淺，其埋管換熱器性能不如垂直埋管，而且施 工時(shí)，占用場(chǎng)地大，在實(shí)際使用中，往往是單層與多層互相搭配；螺旋管優(yōu)于直管，但不易施 工。由于淺埋水平管受地面溫度影響大，地下巖土冬夏熱平衡好，因此適用于單季使用的情況(如歐

29、洲只用于冬季供暖和生活熱水供給)，對(duì)冬夏冷暖聯(lián)供系統(tǒng)使用者很少。位于美國(guó)北方一 工程水平埋管系統(tǒng)的典型實(shí)例顯示，地下埋管換熱器有效換熱量70kW，系統(tǒng)液體的流量為313.6m/h(3.8 L /s)。24個(gè)循環(huán)回路，12條溝，溝間距1.5m。每個(gè)回路的換熱負(fù)荷2.92kW，液體 流量0.57m3/h(0.158 L /s),單位換熱量的液體流量為 0.195m3/h kW (3.25L/min kW)?？衫玫牡孛娣e是83m x 30m=2 490m2。1.2垂直埋管根據(jù)埋管形式的不同，一般有單 U形管，雙U形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑 螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設(shè)深

30、度不同分為淺埋w 30m、中埋3180m 和深埋80m。目前使用最多的是單 U形管Single-U-pipe，雙U形管Double-U-pipe，簡(jiǎn)單套管式管 Simple Coaxial pipe，下面作一簡(jiǎn)述。廠EUJ1U形管型是在鉆孔的管井安裝 U形管，一般管井直徑為100150mm，井深10200m, U 形管徑一般在© 50mm以下主要是流量不宜過(guò)大所限。由于其施工簡(jiǎn)單，換熱性能較好， 承 壓高，管路接頭少，不易泄漏等原因，目前應(yīng)用最多。如美國(guó)加州斯托克斯大學(xué)供給了48萬(wàn)m2空調(diào)建筑的地源熱泵系統(tǒng)，有 390個(gè)深度超過(guò)120m的地下埋管，據(jù)介紹，采用這種地源熱 泵 系統(tǒng)較常

31、規(guī)空調(diào)每年可節(jié)約各種費(fèi)用 45.5萬(wàn)美元，其中能量費(fèi)用33萬(wàn)美元，節(jié)電25%，節(jié)約 燃 料費(fèi)70%。國(guó)外有的工程把U形管捆扎在樁基的鋼筋網(wǎng)架上，然后澆灌混凝土，不占用地面，這種技 術(shù)稱為樁基換熱器或是能量樁。也有直接在建筑物框架直接埋設(shè)布置管道，作為厚板埋管工 程embedded pipework slab 的一個(gè)應(yīng)用。如瑞士某工廠地源熱泵系統(tǒng)從wwzhu熱ofng用于2萬(wàn)平方米建筑物的供2套管式換熱器的外管直徑一般為100200mm,管為© 15© 25mm。由于增大了管外壁與巖土的換熱面積，因此其單位井深的換熱量高，根據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，其換熱效率較U形管提高16.7%。其

32、缺點(diǎn)是套管直徑及鉆孔直徑較大，下管比擬困難，初投資比 U形管高。在套 管端部與管進(jìn)、出水連筑不龍理，易泄漏，因此適用于深度w30m的豎埋直管，對(duì)中埋 采用此種形式宜慎重。為防止漏水，套管端部封頭局部宜由工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝，以保證 嚴(yán)密性。2、土壤換熱器的埋管深度 水平埋管埋設(shè)情況比擬簡(jiǎn)單，前面已述。關(guān)于豎直埋管的埋設(shè)深度 應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，工程及場(chǎng)地的大小，投資及使用的鉆機(jī)性能等情況綜合考慮。結(jié)合國(guó)情與工程實(shí)踐，其中有幾點(diǎn)應(yīng)注意到：鉆井深60m以井深的鉆機(jī)本錢少，費(fèi)用低，如果大于 60m,其鉆機(jī)本錢會(huì)提 高；井深80m以，可用國(guó)產(chǎn)普通型承壓承壓 I.OMPa塑料管，如深度大于 80m，需

33、采用 高承壓塑料管，其本錢大大增加；據(jù)比擬，井深50m的造價(jià)比100m的要低30%50%。上述是針對(duì)地面中央機(jī)房而言，如果采用分室型的水源熱泵系統(tǒng)還要考慮建筑高度的影響。一般來(lái)講，淺埋管優(yōu)點(diǎn)是：投資少，本錢低，鉆機(jī)要求不高，可使用普通承壓0.61.0MPa 的塑料管，由于受地面溫度影響，一般地下巖土冬夏熱平衡性較好。其缺點(diǎn)是占用場(chǎng)地面積大， 管路接頭多，埋管換熱效率較中深埋者低。深埋管優(yōu)點(diǎn)是：占用場(chǎng)地面積小，地下巖土溫度穩(wěn)定，換熱效率高，單位管長(zhǎng)換熱量大，管路接頭少。其缺點(diǎn)是投資大，本錢高，需采用高承壓1.62.0MPa塑料管，鉆機(jī)性能要求 高；由于深層巖土溫度場(chǎng)受地面溫度影響很小，因此必須注

34、意冬季吸熱量和夏季排熱量的平衡， 否那么將影響地源熱泵的長(zhǎng)期使用效果。在國(guó)外，有的采用在系統(tǒng)中加裝冷卻塔和輔助加熱的措 施，幫助地下巖土實(shí)現(xiàn)熱平衡。中埋管介于淺、深埋兩者之間，塑料管可用普通承壓型的。從統(tǒng)計(jì)的國(guó)外工程實(shí)例看， 中埋的地源熱泵占多數(shù)。在實(shí)際工程中采用水平式還是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取決于場(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)?巖土類型及挖掘本錢。如場(chǎng)地足夠大且無(wú)堅(jiān)硬巖石，那么水平式較經(jīng)濟(jì)，如果采用布管機(jī)進(jìn)行多 管布置還可減少場(chǎng)地占用面積。當(dāng)場(chǎng)地面積有限時(shí)那么應(yīng)采用垂直式埋管，很多情況下這是唯一選擇，如果場(chǎng)地中有堅(jiān)硬的巖石，那么必須更換專用的鉆巖石的鉆頭3、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式3.1串聯(lián)方式和并

35、聯(lián)方式 在串聯(lián)系統(tǒng)中，幾個(gè)井水平管為管溝只有一個(gè)流通通路；并聯(lián)方式是一個(gè)井管溝有一個(gè)流通通路，數(shù)個(gè)井有數(shù)個(gè)流通通路，美國(guó)北方一典型的并聯(lián)系統(tǒng)，地下埋管換熱器換熱 量70kW，孔間距4.5m，與建筑物邊界間距3m,占地面積為45mx 15m=675m2。在同樣埋管的 換熱量下，垂直埋管比水平埋管換熱器占地面積少73%左右。串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是：一個(gè)回路具有單一流通通路，管積存的空氣容易排出；串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子，因此對(duì)于單位長(zhǎng)度埋管換熱量來(lái)講，串聯(lián)方式換熱性能略高于并聯(lián)方式。其缺點(diǎn)是：串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而本錢較高；由于系統(tǒng)管徑大， 在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)需充注的防凍液如乙醇

36、水溶液多；安裝勞動(dòng)本錢增大； 管路系統(tǒng)不能太長(zhǎng)，否那么系統(tǒng)阻力損失太大。并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于可用較小管徑的管子，因此本錢較串聯(lián)方式低；所需防凍液 少；安裝勞動(dòng)本錢低。其缺點(diǎn)是：設(shè)計(jì)安裝中必須特別注意確保管流體流速較高，以充 分排出空氣；各并聯(lián)管道的長(zhǎng)度盡量一致偏差應(yīng)w10%，以保證每個(gè)并聯(lián)回路有相同的流量；確保每個(gè)并聯(lián)回路的進(jìn)口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可到達(dá)此 目的。從國(guó)外工程實(shí)踐來(lái)看，中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多；淺埋管采用串聯(lián)方式的多。3.2同程式和異程式根據(jù)分配管和總管的布置方式，有同程式和異程式系統(tǒng)。在同程式系統(tǒng)中，流體流過(guò)各埋管的流程相同，因此各埋管的流動(dòng)阻力

37、、流體流量和換熱量比擬均勻。異程式系統(tǒng)中流體通過(guò) 各埋管的路程不同，因此各個(gè)埋管的阻力不相同，導(dǎo)致分配給每個(gè)埋管的流體流量也不均衡， 使得各埋管的換熱量不均勻，不利于發(fā)揮各埋管的換熱效果。實(shí)際工程中采用同程式者居多。布置成同程式時(shí)，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。4 土壤換熱器的埋管材料4.1 管材選擇 一般來(lái)講，一旦將地下埋管系統(tǒng)換熱器埋入地下后，根本不可能進(jìn)行維修或更 換，因此地下的管材應(yīng)首先要保證其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、 耐腐性。 60 年代以前， 地下埋管多用金屬管， 雖然它的傳熱性能好，但耐腐蝕性差，使用1020年就已腐蝕壞，嚴(yán)重降低了地源

38、熱泵的使用壽命，因此也阻礙了地源熱泵的開展。地下埋管系統(tǒng)換熱器需要埋入地下的管道的數(shù)量較多， 多半優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。 70 年代，性價(jià)比優(yōu)異的樹脂管材出現(xiàn)，克服了金屬管的缺 點(diǎn)，大大促進(jìn)了地源熱泵的開展。由于聚乙烯(PE)和聚丁烯(PB)管柔韌性好，強(qiáng)度高，而 且可以通過(guò)熱熔合形成比管子自身強(qiáng)度更好的連接接頭，可以在額定溫度和壓力工況下保證使 用50年以上，因此在國(guó)外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。由于PVC (聚氯乙烯)管的導(dǎo)熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推 薦用PVC管。為了強(qiáng)化地下埋管的換熱，國(guó)外有的提出采用薄壁(0.5mm)

39、的不銹鋼鋼管，但目前實(shí)際應(yīng)用不多。4.2 選擇埋管種類應(yīng)注意的問(wèn)題1) 了解制造商提供管子所屬的“管子體系 ，該管子是由何種樹脂制作而成，抵抗環(huán)境應(yīng) 力致裂的能力，有關(guān)管子材料說(shuō)明和安裝方法。 (PE 材料按照國(guó)際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)劃分為五個(gè)等 級(jí)：PE32級(jí)、PE40級(jí)、PE63級(jí)、PE80級(jí)和PE100級(jí)。用于地源熱泵管道 PE管的生產(chǎn)為高密 度聚乙烯HDPE，其等級(jí)是PE80 PE100兩種)。2) 應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)大， 流動(dòng)阻力小， 熱膨脹性好， 工作壓力符合系統(tǒng)要求， 工作溫度-20 70C,售價(jià)相應(yīng)較低的管材。3) 在保證要求情況下，選擇的管材管壁盡量薄，配套用管件不應(yīng)選擇金屬的，最好選用

40、 相同材料或工程塑料尼龍等材料制造的管件。4) 應(yīng)要求廠家提供管子阻力計(jì)算用的圖、表或相應(yīng)的數(shù)據(jù)。5) 能按用戶要求的管子長(zhǎng)度，成捆供給，以減少埋管接頭數(shù)量。6) 選用管子時(shí)注意管子的外徑、 徑及厚度。一般常用的塑料管規(guī)格為： 3/4"( © 25X2.3, di=20.4);25.4mm,即卩 1"(© 32X2.9,di=26.2);31.75mm,即卩 1 又 1/4"( © 40X 3.7,di=32.6);38.1mm， 即 1 又 1/2"( © 50X4.6,di=40.8); 50.8mm,即卩 2

41、"( © 63X 5.8, di=51.4)。4.3管件與連接1常見(jiàn)的各種管件見(jiàn)以下圖2管群的常用連接方式見(jiàn)以下圖T3管子聯(lián)接方法有熱熔聯(lián)接和電熔聯(lián)結(jié)采用這兩種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是接口處的強(qiáng)度甚至比管材本身的強(qiáng)度更高，前者由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)被經(jīng)常采用又可以分為兩種：承接聯(lián)接和對(duì)接聯(lián)接, 對(duì)于小管徑常采用前者。筑龍網(wǎng)電熔焊機(jī)時(shí)電熔接頭時(shí)電熔聯(lián)按5確定埋管管長(zhǎng)與埋管間距地下熱交換器長(zhǎng)度確實(shí)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)等可以通過(guò)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得>Heating CyctoFM各岬按口|HE2出口尿匿FMIFM熱泵竟環(huán)Pumphej p

42、r7T J加/逆口 ift度燃PR爐atboiler5.1水平埋管：確定管溝數(shù)目及間距 在方案設(shè)計(jì)階段中，可以利用管材“換熱能力來(lái)估算 埋管管長(zhǎng)。換熱能力即單位埋管管長(zhǎng)的換熱量，水平埋管單位管材“換熱能力在 2040W/m管長(zhǎng)左右；設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力 的下限值，單溝單管埋管總長(zhǎng)具體計(jì)算公式如下：其中L埋管總長(zhǎng)，mQ-冬季從土壤取出的熱量，Kw分母“20是每m管長(zhǎng)冬季從土壤取出的熱量，W/m單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管布置時(shí)分別乘上0.9、0.85、0.75、0.70的熱干擾系數(shù)熱協(xié)調(diào)系數(shù)。視現(xiàn)場(chǎng)情況和工程大小，埋管可沿建筑物周圍布置成任意形 狀，如線形、方形、矩形、圓弧形

43、等等。但為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一 定的間距。該間距的大小與運(yùn)行狀況如連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行；間歇運(yùn)行的開、停機(jī)比等、埋管的布置形式如單行布置，只有兩邊有熱干擾；多排布置，四面均有熱干擾等等有關(guān)。建議串聯(lián)每溝1管，管徑31.7550.8mm,即1又1/4"2"串聯(lián)每溝2管，管徑31.7538.1mm, 即1又1/4"1又1/2"。并聯(lián)每溝2管，管徑25.431.75mm,即1"1又1/4"并聯(lián)每溝46管，管徑19.0525.4mm, 即 3/4"1"。5.2垂直埋管：確定豎井?dāng)?shù)目及間距在垂直埋管換熱

44、器的方案設(shè)計(jì)階段中，也可以利用管材“換熱能力來(lái)估算埋管管長(zhǎng)。這時(shí)換熱能力即單位垂直埋管深度換熱量，一般垂直單U形管埋管為6080 W/m井深，垂直雙U形管為80100W/m井深左右，設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值。垂直雙U形管埋管總長(zhǎng)具體計(jì)算公式如下其中L埋管總長(zhǎng)，mQ1冬季從土壤取出的熱量，Kw分母“80是每m管長(zhǎng)冬季從土壤取出的熱量， W/m國(guó)外，豎井深度多數(shù)采用 50100m設(shè)計(jì)者可以在此圍選擇一個(gè)豎井深度 H,代入下式 計(jì)算豎井?dāng)?shù)目：N= L/ 4*H其中N 豎井總數(shù)，個(gè)；L 豎井埋管總長(zhǎng)，m H 豎井深度，m然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，假設(shè)計(jì)算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否那么鉆

45、孔 和安裝本錢大大增加。根據(jù)多種GSHP傳熱模型的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，長(zhǎng)期間歇運(yùn)行的垂直埋管地源熱泵間距 3m左 右較適合；一般僅考慮取熱冬季埋地盤管的間距取4m,放熱夏季埋地盤管間距約為5m， 綜合考慮冬夏工況，U形管埋地?fù)Q熱器管間距應(yīng)大于 5m。關(guān)于豎井間距我們的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是：工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運(yùn)行，埋管間距可取3.0m；工程較大，埋管多排布置，地源熱泵間歇運(yùn)行，建議取間距4.5m;假設(shè)連續(xù)運(yùn)行的管群至少間隔為6.0米以上假設(shè)采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來(lái)節(jié)約占地面積 當(dāng)然從換熱角度分析，間距大熱干擾少，對(duì)換熱有好處，但占地面積大，埋管造價(jià)也有所增加。6埋管系統(tǒng)的管徑

46、選擇及水力和換熱計(jì)算6.1管徑的選擇原那么在選擇和設(shè)計(jì)管徑時(shí)應(yīng)考慮如下問(wèn)題：從運(yùn)行費(fèi)上考慮管徑越大越好，以降低泵的輸送功率，減少平時(shí)的運(yùn)行費(fèi)； 從初投資上考慮管徑不能太大，必須保證管流體處于紊流區(qū)Re >2100，以增加流體與塑料管壁的換熱系數(shù)；系統(tǒng)環(huán)路長(zhǎng)度不要太長(zhǎng)； 不同的流體對(duì)阻力和換熱都有影響，因此選擇管徑時(shí)應(yīng)特別加以注意。而在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求：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保持紊流以保證流體與管道壁之間的傳熱。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

47、32mm 40mm 50mn，管流速控制在1.22m/s 以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)字是 之 間，對(duì)更大管徑的管道，管流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mHO/100m當(dāng)量長(zhǎng)度以下。6.2埋管工作流體在國(guó)南方地區(qū)，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0C以上，因此多采用水作為工作 流 體；北方地區(qū)，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0C,因此一般均需使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用平安、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導(dǎo)熱性好、本錢低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前應(yīng)用 較多的有：鹽類溶液一一氯化鈣和氯化鈉水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。一般來(lái)說(shuō)，鹽溶液具有平安、無(wú)毒、無(wú)污染、導(dǎo)熱性能好、價(jià)格低、使用壽命長(zhǎng)

48、等優(yōu)點(diǎn)， 其缺點(diǎn)是系統(tǒng)有空氣存在時(shí)，對(duì)大局部金屬具有腐蝕性。在正確選用管材、部件和系統(tǒng)空氣被排除干凈的情況下，鹽溶液是一種很好的防凍液。乙二醇水溶液相對(duì)平安、無(wú)腐蝕性，具有較好的導(dǎo)熱性能，價(jià)格適中，但使用壽命有限， 且有毒。酒精水溶液具有無(wú)腐蝕性、較好的導(dǎo)熱性、價(jià)格適中、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是有爆炸 性和毒性。在使用酒精之前應(yīng)用水將其稀釋，以降低其爆炸的可能性，由于其無(wú)腐蝕性，作為 防凍液很受歡送。6.5 有關(guān)水流量和壓力損失6.5.1 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(zhǎng)度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長(zhǎng)度，和管道實(shí)際長(zhǎng)度

49、相加得到各不同管徑管段的 總當(dāng)量長(zhǎng)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。6.5.2 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，需考慮一定的平安裕量。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(hào)及臺(tái)數(shù)。6.5.3 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。假設(shè)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 0.5 ph 這個(gè)數(shù)字比擬保守 即： p = p0 + ?gh + 0.5ph其中 p 管路最大壓力

50、， Pa，p0 建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海?Pa3? 地下埋管中流體密度， kg/m ，2? g 當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?m/s2h 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，h ph 水泵揚(yáng)程， Pa6.5.4 土壤換熱器的選型計(jì)算其他考前須知 地下埋管換熱器環(huán)路壓力損失限制在3050kPa/100m為好，最大不超過(guò)50kPa/100m 地下埋管系統(tǒng)單位冷噸1冷噸=3024kcal/h=3.52kW水流量控制在 0.160.19L/S t0.0450.054L/S kW 或 2.73.24L/min kW為好，大于 0.19L/S t 3.24L/min kW,泵 的消耗功率顯著上升。 循環(huán)水

51、泵消耗功率P與熱泵容量名義冷噸之比控制在 5075W/熱泵能力冷噸14.2 21.3W/kW為好。 最小管流速流量：在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水、CaCI2水溶液、乙二醇水溶液，其臨界流速比為 1 ： 2.12： 2.45。說(shuō)明采用 CaCl2 和乙二醇水溶液時(shí)，為了 保證管的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。 不同流體管換熱系數(shù)aw w/m2k計(jì)算：相同流速、相同管徑下，水的換熱系數(shù)最大。 其大小排序?yàn)樗?CaCl2 水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關(guān)，其大小比值約 為 1 ： 0.470.62： 0.410.56。 管路沿程阻力hf kPa/100m計(jì)

52、算：由于地下埋管換熱器流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑過(guò)渡區(qū)，即2 100<Re<105o在此圍，根據(jù)入可用布拉修斯公式計(jì)算；在相同管徑、相同流量下， CaCl2 水溶液的 hf 為水的 1.44 倍；乙二醇水溶液的 hf 為水的 1.28 倍。7、其他工程建議1、室外環(huán)路埋管的深度和長(zhǎng)度主要取決于當(dāng)?shù)赝寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)圍通常介于0.61.6 w/m.k之間。導(dǎo)熱系數(shù)為1.6的土壤被認(rèn)為是極好的土壤，盡量防止在土壤導(dǎo)熱系 數(shù)低于 1.2 的場(chǎng)合使用土壤熱泵，因?yàn)橥寥赖膫鳠嵝Ч顣?huì)使得系統(tǒng)的初投資過(guò)高。2、鉆孔是豎埋管換熱器施工中最重要的工序。鉆孔機(jī)械一般可采用中淺孔巖心鉆機(jī)

53、，鉆孔的孔 徑一般為200mm單U型管150mm左右。鉆孔施工前應(yīng)對(duì)埋管場(chǎng)地的地質(zhì)狀況進(jìn)行了解，特別 應(yīng)注意是否有地下管線及其準(zhǔn)確位置。應(yīng)對(duì)地面進(jìn)行清理，鏟除地面雜草、雜物和浮土，平整 地面，確定鉆孔的具體位置。鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿水從鉆孔位置冒出地面，施工前制定好排 水措施，在排水溝的末端挖一個(gè)泥漿池，對(duì)鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿在泥漿池中沉淀。3、下管是工程的關(guān)鍵之一，因?yàn)橄鹿艿纳疃葲Q定采取熱量總量的多少，所以必須保證下管的深度一般是將預(yù)先裝配好的埋管上面標(biāo)好相應(yīng)的深度記號(hào)，再運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。下管一般采用 人力下管與機(jī)械下管相結(jié)合的方式，在施工過(guò)程中，由于孔情況復(fù)雜，下管時(shí)可能遇到很大的阻力?？梢?/p>

54、采用下面的方法進(jìn)行下管：在PVC管上套上粗麻繩，輔以扶正機(jī)構(gòu)，通過(guò)加力杠桿作用于粗麻繩上，以便下管。實(shí)踐證明，該方法行之有效，一般可增加下管l020m另外一種經(jīng)常采用的方法是用專用的下管器具直接用鉆機(jī)下管。4. 為了使熱交換器具有更好的傳熱性， 常選用特殊物質(zhì)制成的專用灌注材料 專用配方回填料 進(jìn)行注漿。灌注時(shí)要求泥漿泵有足夠的泵壓，保證泥漿上返至地表。同時(shí)注漿也必須連續(xù)，否 那么會(huì)降低傳熱效果。注漿管與 U 型管一并下入孔進(jìn)行注漿。當(dāng)上返泥漿密度與灌注材料的密 度相等時(shí)，注漿過(guò)程結(jié)束。回填物中不得有大粒徑的顆粒，回填過(guò)程必須緩慢進(jìn)行，以保證充 實(shí)度，減少傳熱熱阻。早期回填材料使用鉆孔時(shí)取出的

55、當(dāng)?shù)卦b土壤經(jīng)過(guò)篩分去掉其中的礫 石和石塊回填，但是往往影響傳熱效果。5. 為防止泄漏的發(fā)生， U 型管換熱器應(yīng)盡量采用成卷供給的管材，以利用單根管制作成一個(gè)埋 管單元，減少連接管件。在回填之前應(yīng)對(duì)埋管進(jìn)行試壓。確認(rèn)無(wú)泄露現(xiàn)象前方可進(jìn)行回境，試 壓壓力值一般為管路流體正常工作壓力的 1.5 倍。如果有泄漏發(fā)生，那么必須再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)接。6. 鉆孔完畢后孔洞有大量積水，由于水的浮力影響，將對(duì)放管造成一定的困難；而且由于水 中 含有大量的泥沙，泥沙沉積會(huì)減少孔洞的有效深度。為此，每鉆完一孔，應(yīng)及時(shí)把 U 型管放 入并采取防止上浮的固定措施。在安裝過(guò)程中，應(yīng)注意保持套管的外管同軸度和 U 型管進(jìn)出 水

56、管的距離。7. 系統(tǒng)安裝完畢，應(yīng)進(jìn)行清洗、排污，確認(rèn)管無(wú)雜質(zhì)后，方可灌水。、水源熱泵系統(tǒng)GWHP的方案設(shè)計(jì) 一、地下水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原那么 如果有足夠的地下水量、水質(zhì)較好，有開采手段，當(dāng)?shù)匾?guī)定又允許，就可考慮應(yīng)用此系統(tǒng)，下 面介紹一些根本原那么：1水井流量的要求由計(jì)算出來(lái)的最大得熱量和最大釋熱量確定；2地下水系統(tǒng)應(yīng)使用板式熱交換器進(jìn)行水井水和建筑物循環(huán)水熱交換；3對(duì)一個(gè)開放式系統(tǒng)，建筑物最好是低層結(jié)構(gòu)以便減少水泵耗能；4如果選擇一個(gè)帶有板式熱交換器的閉式地下水系統(tǒng)，建筑物的高度就不必考慮；5在寒冷地區(qū)，地下水系統(tǒng)的井水側(cè)管道應(yīng)保溫，系統(tǒng)側(cè)的循環(huán)水路要求防凍；6對(duì)于地下水系統(tǒng)的投資效益比，較大的建筑物比小的建筑物好，因?yàn)榈叵滤┗鼐耐顿Y并不隨系統(tǒng)容量的增加而呈線性上升；7對(duì)于熱泵選擇的進(jìn)水溫度取決于深井水的水溫平均水溫，深井水的水溫一般約比當(dāng)?shù)貧鉁馗?2 C。我國(guó)東北北部地區(qū)深井水水溫約為 4C,中部地區(qū)約為12C,南部地區(qū)約為1214 C；華北地區(qū)深井水水溫