第6章土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)、形式和結(jié)土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)、形式和結(jié)構(gòu)構(gòu)6.1.1 土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)6.1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結(jié)構(gòu)土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結(jié)構(gòu)返回首頁返回首頁第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1.1 土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)土壤源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn) 土壤源熱泵系統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)以大地土壤作為熱源或熱匯以大地土壤作為熱源或熱匯，被稱之為被稱之為2121世紀(jì)最具發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)之世紀(jì)最具發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)之一。一。 系統(tǒng)主要由土壤系統(tǒng)主要由土壤熱交換器系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)熱交換器系

2、統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、建筑物空調(diào)系統(tǒng)組、建筑物空調(diào)系統(tǒng)三部分組成，分別對應(yīng)三個三部分組成，分別對應(yīng)三個不同的環(huán)路。不同的環(huán)路。 第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（一）土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（一）地下土壤溫度一年四季相對穩(wěn)定（約為地下土壤溫度一年四季相對穩(wěn)定（約為1220），冬），冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境溫度低，土壤這種溫季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境溫度低，土壤這種溫度特性使得該熱泵比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率高出度特性使得該熱泵比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率高出2050%，節(jié)能效果明顯；，節(jié)能效果明顯；土壤具有良好的蓄熱性能，冬、夏季從土壤中取的能

3、量土壤具有良好的蓄熱性能，冬、夏季從土壤中取的能量可分別在夏、冬季得到自然補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了冬、夏能可分別在夏、冬季得到自然補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了冬、夏能量互補(bǔ)性量互補(bǔ)性n冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫度的地能中熱能取出來供給室內(nèi)采暖；度的地能中熱能取出來供給室內(nèi)采暖；n夏季把土壤能作為空調(diào)的冷源，即把室內(nèi)的熱能取出夏季把土壤能作為空調(diào)的冷源，即把室內(nèi)的熱能取出來釋放到底于環(huán)境溫度的土壤中。來釋放到底于環(huán)境溫度的土壤中。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（二）土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（二）當(dāng)室外氣溫

4、處于極端狀態(tài)，用戶對冷量或熱量的當(dāng)室外氣溫處于極端狀態(tài)，用戶對冷量或熱量的需求一般也處于高峰期，由于土壤溫度相對地面需求一般也處于高峰期，由于土壤溫度相對地面空氣溫度延遲和衰減效應(yīng)，從而在耗電量相同的空氣溫度延遲和衰減效應(yīng)，從而在耗電量相同的條件下，可以保持夏季供冷量或冬季供熱量；條件下，可以保持夏季供冷量或冬季供熱量；土壤熱交換器無需除霜，沒有融霜除霜的能耗損土壤熱交換器無需除霜，沒有融霜除霜的能耗損失。失。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（三）土壤源熱泵的主要技術(shù)優(yōu)勢（三）地下熱交換器在地下靜態(tài)的吸、放熱，減小了土地下熱交換器在地下靜態(tài)的吸、放熱

5、，減小了土壤源熱泵系統(tǒng)對地面空氣的熱、噪音污染；壤源熱泵系統(tǒng)對地面空氣的熱、噪音污染；運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)美國國家環(huán)保署運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)美國國家環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的土壤源熱泵系統(tǒng)，可以節(jié)約用戶安裝良好的土壤源熱泵系統(tǒng)，可以節(jié)約用戶3040%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵的缺點(diǎn)土壤源熱泵的缺點(diǎn)土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而使土壤熱交換器單位管長放熱土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而使土壤熱交換器單位管長放熱量僅為量僅為2040W/m，一般為，一般為25 W/m左右。當(dāng)左右。當(dāng)換熱量較大時，土壤熱交換器占地面積較大；換熱量較大時，土

6、壤熱交換器占地面積較大；土壤熱交換器換熱性能受土壤熱物性參數(shù)的影響土壤熱交換器換熱性能受土壤熱物性參數(shù)的影響較大；較大；初投資較高，僅土壤熱交換器投資約占系統(tǒng)投資初投資較高，僅土壤熱交換器投資約占系統(tǒng)投資的的2030%。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結(jié)構(gòu)土壤源熱泵系統(tǒng)的形式與結(jié)構(gòu)依據(jù)制冷劑管路與土壤換熱方式的不同：依據(jù)制冷劑管路與土壤換熱方式的不同：u間接式土壤源熱泵系統(tǒng)間接式土壤源熱泵系統(tǒng)u直接膨脹式土壤源熱泵系統(tǒng)直接膨脹式土壤源熱泵系統(tǒng) 間接式土壤源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)熱交換器布置形式間接式土壤源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)熱交換器布置形式: :u水平埋

7、管土壤源熱泵系統(tǒng)水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng)u垂直埋管土壤源熱泵系統(tǒng)垂直埋管土壤源熱泵系統(tǒng) 第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水平埋管方式的優(yōu)點(diǎn)是在淺層軟土地區(qū)水平埋管方式的優(yōu)點(diǎn)是在淺層軟土地區(qū)造價較低造價較低，但，但傳熱性能受到外界空調(diào)季節(jié)氣傳熱性能受到外界空調(diào)季節(jié)氣候一定程度的影響，而且占地面積較大候一定程度的影響，而且占地面積較大。 第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)垂直土壤熱交換器具有垂直土壤熱交換器具有占地少、工作性能穩(wěn)占地少、工作性能穩(wěn)定定等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源

8、熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.2.1 土壤換熱器傳熱分析模型土壤換熱器傳熱分析模型土壤熱交換器的傳熱分析目的土壤熱交換器的傳熱分析目的: :u保證在土壤源熱泵整個生命周期中循環(huán)介質(zhì)的保證在土壤源熱泵整個生命周期中循環(huán)介質(zhì)的溫度都在設(shè)定的范圍之內(nèi)，根據(jù)這一目標(biāo)選擇土溫度都在設(shè)定的范圍之內(nèi)，根據(jù)這一目標(biāo)選擇土壤熱交換器布置形式并確定埋管的總長度。壤熱交換器布置形式并確定埋管的總長度。u在給定土壤熱交換器布置形式和長度以及負(fù)荷在給定土壤熱交換器布置形式和長度以及負(fù)荷的情況下，計(jì)算循環(huán)介質(zhì)溫度隨時間的變化，并的情

9、況下，計(jì)算循環(huán)介質(zhì)溫度隨時間的變化，并進(jìn)而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。行能耗分析。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)于土壤熱交換器的傳熱問題分析求解，迄今關(guān)于土壤熱交換器的傳熱問題分析求解，迄今為止國際上還沒有普遍公認(rèn)的唯一方法?，F(xiàn)有為止國際上還沒有普遍公認(rèn)的唯一方法?，F(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類的傳熱模型大體上可分為兩大類: :u以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性的解析解模型以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性的解析解模型u以計(jì)算傳熱學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值解模型以計(jì)算傳熱學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值解模型第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源

10、熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.2.2 土壤換熱器傳熱過程分析土壤換熱器傳熱過程分析土壤熱交換器與周圍土壤中的傳熱過程實(shí)際上是土壤熱交換器與周圍土壤中的傳熱過程實(shí)際上是一個一個通過多層介質(zhì)的傳熱過程通過多層介質(zhì)的傳熱過程，具體由，具體由6 6個換熱個換熱過程組成，從管內(nèi)流體到周圍土壤依次為：過程組成，從管內(nèi)流體到周圍土壤依次為：地埋地埋管內(nèi)對流換熱過程、地埋管管壁的導(dǎo)熱過程、地管內(nèi)對流換熱過程、地埋管管壁的導(dǎo)熱過程、地埋管外壁面與回填物之間的傳熱過程、回填物內(nèi)埋管外壁面與回填物之間的傳熱過程、回填物內(nèi)部的導(dǎo)熱過程、回填物與孔壁的傳熱過程、土壤部的導(dǎo)熱過程、回填物與孔壁的傳熱過程、土壤的導(dǎo)熱過程的導(dǎo)熱過程。這些

11、傳熱過程是一個受到地下水滲。這些傳熱過程是一個受到地下水滲流特性、土壤熱物性、埋管幾何結(jié)構(gòu)及地埋管換流特性、土壤熱物性、埋管幾何結(jié)構(gòu)及地埋管換熱負(fù)荷變化等諸多因素影響的復(fù)雜過程。熱負(fù)荷變化等諸多因素影響的復(fù)雜過程。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.2.4 土壤換熱器傳熱的主要影響因素土壤換熱器傳熱的主要影響因素主要因素主要因素：u土壤熱交換器結(jié)構(gòu)土壤熱交換器結(jié)構(gòu)u土壤的傳熱性能土壤的傳熱性能u土壤熱交換器換熱負(fù)荷土壤熱交換器換熱負(fù)荷第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3 土壤換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算土壤換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算6.3.1 土土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)壤換熱器的計(jì)

12、算特點(diǎn)6.3.2 土土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟6.3.3 土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算6.3.4 土壤換熱器的容量計(jì)算土壤換熱器的容量計(jì)算6.3.5 土壤換熱器系統(tǒng)的水力計(jì)算土壤換熱器系統(tǒng)的水力計(jì)算返回首頁返回首頁第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1 土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)土壤熱交換器是埋管中的流體與周圍土壤間的換土壤熱交換器是埋管中的流體與周圍土壤間的換熱。是典型非穩(wěn)態(tài)的過程熱。是典型非穩(wěn)態(tài)的過程。換熱涉及的因素很多，既有時間上的長短不同，換熱涉及的因素很多，既有時間上的長短不同，空間上區(qū)域變化很大，又有熱交換器形式

13、多種多空間上區(qū)域變化很大，又有熱交換器形式多種多樣、地層結(jié)構(gòu)及其熱物性千差萬別，還有熱交換樣、地層結(jié)構(gòu)及其熱物性千差萬別，還有熱交換器的負(fù)荷隨時間變化、多組管道之間的相互影響、器的負(fù)荷隨時間變化、多組管道之間的相互影響、土壤凍融的影響、地下水滲流的影響等土壤凍融的影響、地下水滲流的影響等。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.1 土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)土壤換熱器的計(jì)算特點(diǎn)土壤熱交換器的傳熱計(jì)算與一般換熱器相比也有土壤熱交換器的傳熱計(jì)算與一般換熱器相比也有著顯著的不同：著顯著的不同：u土壤熱交換器的傳熱系數(shù)和傳熱溫差（循環(huán)介土壤熱交換器的傳熱系數(shù)和傳熱溫差（循環(huán)介質(zhì)的平均溫度

14、與其周圍土壤溫度的差）是隨時間質(zhì)的平均溫度與其周圍土壤溫度的差）是隨時間和空間而變化的；和空間而變化的；u熱交換器的結(jié)構(gòu)布置和換熱負(fù)荷對熱交換能力熱交換器的結(jié)構(gòu)布置和換熱負(fù)荷對熱交換能力有明顯影響；有明顯影響；第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.2 土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱交換器設(shè)計(jì)步驟如下：土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱交換器設(shè)計(jì)步驟如下：u確定建筑物的供熱、制冷和熱水供應(yīng)（如果選確定建筑物的供熱、制冷和熱水供應(yīng)（如果選用的話）的負(fù)荷，并根據(jù)所選擇的建筑空調(diào)系統(tǒng)用的話）的負(fù)荷，并根據(jù)所選擇的建筑空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)確定熱泵的型式和容量。的特點(diǎn)確

15、定熱泵的型式和容量。u確定土壤熱交換器的布置形式。主要包括水平確定土壤熱交換器的布置形式。主要包括水平埋管、豎直埋管閉式循環(huán)以及串聯(lián)、并聯(lián)的管路埋管、豎直埋管閉式循環(huán)以及串聯(lián)、并聯(lián)的管路連接形式。連接形式。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.2 土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟土壤換熱器的設(shè)計(jì)步驟u選擇熱交換器管材。選擇熱交換器管材。u如果設(shè)計(jì)工況中熱泵主機(jī)蒸發(fā)器出口的流體溫如果設(shè)計(jì)工況中熱泵主機(jī)蒸發(fā)器出口的流體溫度低于度低于00，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)姆纼鲆鹤鳛檠h(huán)介質(zhì)。，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)姆纼鲆鹤鳛檠h(huán)介質(zhì)。u合理設(shè)計(jì)分、集水器。合理設(shè)計(jì)分、集水器。u根據(jù)所選擇的土壤熱交換器的類型及布置形式，根據(jù)所選擇的土壤熱交換器的類型及布置形式，設(shè)計(jì)計(jì)算土壤熱交換器的管長。設(shè)計(jì)計(jì)算土壤熱交換器的管長。第第6 6章章 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3.3 土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算土壤換熱器的換熱負(fù)荷計(jì)算設(shè)計(jì)負(fù)荷設(shè)計(jì)負(fù)荷n用以確定熱泵的