地源熱泵空調工業設計

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摘要：地源熱泵是節能、環保型冷熱源裝置。豎直埋管式地源熱泵還具有對地下水無污染，并不影響地面沉降的優點，而且占地少、投資小、施工快。采用綜合傳熱系數法，可大大簡化地源熱泵的傳熱計算。豎直埋管式地源熱泵空調設計步驟，可規范工程設計、減少設計失誤，并能提高設計速度。

關鍵詞：地源熱泵豎直埋管綜合傳熱系數

1概述

地源熱泵是一項高效節能型、環保型并能實現可持續發展的新技術，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。因此，目前在國內空調行業引起了人們廣泛的關注，希望盡快應用這項新技術。現在尚未見到有關地源熱泵技術設計手冊供設計人員使用，但又不能等待設計手冊出版后才使用地源熱泵技術。筆者從實踐角度對中小型地源熱泵空調工程設計程序進行深討，供同行討論。

地源熱泵技術的關鍵是地下換熱器的設計。本文將著重探討有關地下換熱器的問題。

2地源熱泵地下換熱器的形式

眾所周知，熱泵機組的熱源有空氣源、水源、土壤源等。

土壤源熱泵空調也叫地源熱泵空調，就是在地下埋設管道作為換熱器，管道與熱泵機組連接形成閉式環路，管道中有液體流動通過循環將熱泵機組的凝結熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機組向建筑物供熱（供熱工況）。

土壤源熱泵換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優越性：節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。

3豎直埋管換熱器型式

最常用的豎直埋管換熱器就是由垂直埋入地下的U型管連接組成。

3.1豎直埋管深度

豎直埋管可深可淺，須根據當地地質條件而定，如20m、30m……直到200m以下。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模。例如天津地區地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節約用地。

3.2豎直埋管材料

埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優點。可供選用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32等。

3.3豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料

豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯構成地下換熱器。

根據地質結構不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用Ф300孔徑。

回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。

4豎直埋管換熱器中循環水溫度的設定

豎直埋管換熱器中流動的循環水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由于蓄熱地溫提高，機組運行時水溫不斷上升，停機時水溫又有所下降，當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反，由于取熱地溫下降，當建筑物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。

設計時，首先應設定換熱器埋管中循環水最高溫度和最低溫度，因為這個設定和整個空調系統有關。如夏季溫度設定較低，對熱泵壓縮機制冷工況有利，機組耗能少，但埋管換熱器換熱面積要加大，即鉆孔數要增加，埋管長度要加長。反之溫度設定較高，鉆孔數和埋管長度均可減少，可節省投資，但熱泵機組的制冷系數cop值下降，能耗增加。設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態點。筆者認為埋管水溫應如下設定：

4.1熱泵機組夏季向末端系統供冷水，設計供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機組相同。地埋管中循環水進入U管的最高溫度應<37℃，與冷卻塔進水溫度相同。

4.2熱泵機組冬季向末端系統供水溫度與常規空調不同，在滿足供熱條件下，應盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組運行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。

我們知道風機盤管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負荷大于冬季熱負荷，所以風機盤管的選型是以夏季冷負荷選型、冬季熱負荷校核。采用地源熱泵空調冬季供熱時，可根據冬季熱負荷實際情況，讓風機盤管冬季也滿負荷運行而反算出供熱水溫度，此溫度要小于常規空調60℃的供水溫度（大約供水為40℃左右）。將此溫度定為熱泵機組冬季供水溫度。供回水溫差取7～10℃。

地埋管中循環水冬季進水溫度，以水不凍結并留安全余地為好，可取3—4℃。當然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環水溫降至0℃以下，為此循環水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價、增加對設備的腐蝕。在嚴寒地區不得不這樣做，而在華北地區的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。

5換熱面積與綜合傳熱系數

5.1換熱面積

一般換熱器換熱面積計算公式為：

……………………⑴

式中：

Q—換熱器換熱量w；

K—傳熱系數w/m·℃；

ΔT—對數溫差℃。

5.2綜合傳熱系數

地埋管換熱器用以上公式計算很不方便，因為很難確定其換熱面積。

豎直埋管換熱器可以假設為“線熱源”模型。引入綜合傳熱系數進行計算，則較為簡單、方便。

這里，將以某一流經地埋管換熱器內的流體介質與大地初始溫度每相差1℃，通過單位長度換熱管，單位時間所傳遞的熱量定義為綜合傳熱系數K。

……………………⑵

式中：

K—綜合傳熱系數w/m℃；

Q—換熱器單位時間換熱量，Q=Cm(t進-t出)W；

L—換熱管有效長度m；

TP—流體介質平均溫度，℃；

T進—U型管換熱器進水溫度℃；

T出—U型管換熱器出水溫度℃；

C—水比熱4.180KJ/Kg·k；

m—水的質量流量kg/s；

Td—地溫℃。

地溫是恒定值，可通過測井實測。有關資料介紹某地地下約100米的地溫是當地年平均氣溫加4℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規律。

影響豎直埋管綜合傳熱系數的因素有：地理位置、地質構造、埋管深度、埋管材料及管徑、鉆孔直徑及回填材料、管中水的流速、熱泵運行方式（連續運轉還是間斷運轉）。

綜合傳熱系數k可通過測井測得。由公式⑵可以看出，做一個地面鉆孔與預計工程應用完全相同的U型豎直埋管，人為制作冷、熱源，通入冷、熱水，測出各個參數帶入公式⑵即可計算出綜合傳熱系數。

測井也可測出U型豎埋管出水溫度T出。

綜合傳熱系數K在系統運行初期波動值較大，系統運行一段時間后其值趨于一穩定值。我們通過實測K值波動在一個較小的范圍內，在目前數據資料較少情況下可取波動平均值作為計算數據誤差不會太大。

6豎直埋管地源熱泵空調的設計

6.1確定設計參數與熱泵機組

6.1.1計算建筑物空調夏季冷負荷及冬季熱負荷。

6.1.2確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進出水溫度，進而確定機組中工質的夏季蒸發溫度及冷凝溫

度。

6.1.3計算冬季風機盤管的供水溫度，取回水溫度比供水溫度低7～12℃。設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。

6.1.4由建筑物空調夏季冷負荷、機組蒸發溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負荷和冬季機組蒸發溫度和冷凝

溫度，就可以進行熱泵機組的選型設計，或將參數提供給生產廠家，由廠家制造熱泵機組。

6.1.5確定熱泵機組型式（活塞機、螺桿機、蝸旋壓縮機等），查出或計算出

該機組在夏季埋管水溫最高時和冬季埋管水溫最低時工況下的COP值。

6.2計算夏季總放熱量和冬季總吸熱量

6.2.1夏季豎直埋管換熱器總放熱量等于建筑總冷負荷加上埋管最高水溫時機組消耗功率（機組消耗功率等于夏季冷負荷除以埋管最高水溫時的COP值）。

6.2.2冬季豎直埋管換熱器總吸熱量等于建筑物總熱負荷減去埋管最低水溫

時機組所消耗的功率（機組消耗功率等于冬季熱負荷除以埋管最低水溫時COP值）。

6.3計算豎直埋管總長度

6.3.1夏季豎直埋管總長度計算

①夏季換熱溫差DTx8C

DTx=Tx-Td……………………⑶

式中：

Txü夏季豎直埋管內最高設計平均水溫8C；

Tdü地溫8C。

②夏季每米豎直埋管散熱量qxW/m

qx=Kx·DTx……………………⑷

式中：

Kxü夏季綜合傳熱系數W/m8C。

③夏季豎直埋管換熱器埋管總長度Lxm

……………………⑸

式中：

Q夏—建筑物夏季總冷負荷W；

A—安全系數，取1.1-1.2。

6.3.2冬季豎直埋管總長度計算

①冬季換熱溫差DTD8C

DTD=Td-TD……………………⑹

式中:

TDü冬季豎直埋管內最低設計平均水溫8C。

②冬季每米豎直埋管散熱量qDW/m

qD=KD·DTD……………………⑺

式中：

KDü冬季綜合傳熱系數W/m8C。

③冬季豎直埋管換熱器埋管總長度LDm

……………………⑻

式中：

Q冬—建筑物冬季總熱負荷W；

A—安全系數取1.1-1.2。

6.3.3確定豎直埋管換熱器埋管總長度

以上計算取LX、LD二者中較大數值為本工程埋管總長度Lm。

6.4計算豎直埋管數量并確定布置形式

6.4.1豎直埋管數量計算

……………………⑼

式中:

n—U型豎直埋管個數；

H—豎直埋管設計有效深度m；

L—埋管總長度m。

6.4.2豎直埋管布置形式

結合工程場地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據測試結果分析,U型豎直埋管間距以5—6m為宜。

6.5確定豎直埋管水流速度與水泵選型

6.5.1確定水流速

試驗顯示，豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應為紊流狀態，流速太快會增加循環水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。

6.5.2確定水泵型號

流速確定后計算循環水流量及壓力損失即可選擇循環水泵的型號。

7結論

7.1地源熱泵空調是節能、環保、對地下水無污染，并不影響地面沉降的好形式。特別是豎直埋管地源熱泵更具有諸多優點，應予推廣。

7.2采用土壤鉆孔的綜合傳熱系數法，可簡化地源熱泵的傳熱計算。

7.3豎直埋管地源熱泵空調的設計步驟，為設計人員提供了一種設計方法，有利于提高設計速度，并減少設計失誤。

參考文獻

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