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摘要：地源熱泵是節(jié)能、環(huán)保型冷熱源裝置。豎直埋管式地源熱泵還具有對(duì)地下水無(wú)污染，并不影響地面沉降的優(yōu)點(diǎn)，而且占地少、投資小、施工快。采用綜合傳熱系數(shù)法，可大大簡(jiǎn)化地源熱泵的傳熱計(jì)算。豎直埋管式地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)步驟，可規(guī)范工程設(shè)計(jì)、減少設(shè)計(jì)失誤，并能提高設(shè)計(jì)速度。

1概述

地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降。因此，目前在國(guó)內(nèi)空調(diào)行業(yè)引起了人們廣泛的關(guān)注，希望盡快應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)?，F(xiàn)在尚未見(jiàn)到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)供設(shè)計(jì)人員使用，但又不能等待設(shè)計(jì)手冊(cè)出版后才使用地源熱泵技術(shù)。筆者從實(shí)踐角度對(duì)中小型地源熱泵空調(diào)工程設(shè)計(jì)程序進(jìn)行深討，供同行討論。

地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)。本文將著重探討有關(guān)地下?lián)Q熱器的問(wèn)題。

2地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式

眾所周知，熱泵機(jī)組的熱源有空氣源、水源、土壤源等。

土壤源熱泵空調(diào)也叫地源熱泵空調(diào)，就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動(dòng)通過(guò)循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過(guò)管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)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(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國(guó)采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場(chǎng)、操場(chǎng)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(shè)置埋管，見(jiàn)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(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定，如20m、30m……直到200m以下。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。例如天津地區(qū)地表土壤層很厚，鉆孔費(fèi)用相對(duì)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(jié)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(mǎn)足換熱要求、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？晒┻x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(dá)到預(yù)計(jì)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(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)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(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，但可結(jié)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(jià)低，可廣泛采用。

4豎直埋管換熱器中循環(huán)水溫度的設(shè)定

豎直埋管換熱器中流動(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。

設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)定和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。如夏季溫度設(shè)定較低，對(duì)熱泵壓縮機(jī)制冷工況有利，機(jī)組耗能少，但埋管換熱器換熱面積要加大，即鉆孔數(shù)要增加，埋管長(zhǎng)度要加長(zhǎng)。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長(zhǎng)度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)cop值下降，能耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。筆者認(rèn)為埋管水溫應(yīng)如下設(shè)定：

4.1熱泵機(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計(jì)供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入U(xiǎn)管的最高溫度應(yīng)<37℃，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。

4.2熱泵機(jī)組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿(mǎn)足供熱條件下，應(yīng)盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機(jī)組運(yùn)行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。

我們知道風(fēng)機(jī)盤(pán)管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，所以風(fēng)機(jī)盤(pán)管的選型是以夏季冷負(fù)荷選型、冬季熱負(fù)荷校核。采用地源熱泵空調(diào)冬季供熱時(shí)，可根據(jù)冬季熱負(fù)荷實(shí)際情況，讓風(fēng)機(jī)盤(pán)管冬季也滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行而反算出供熱水溫度，此溫度要小于常規(guī)空調(diào)60℃的供水溫度（大約供水為40℃左右）。將此溫度定為熱泵機(jī)組冬季供水溫度。供回水溫差取7～10℃。

地埋管中循環(huán)水冬季進(jìn)水溫度，以水不凍結(jié)并留安全余地為好，可取3—4℃。當(dāng)然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)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(huán)水溫降至0℃以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會(huì)提高工程造價(jià)、增加對(duì)設(shè)備的腐蝕。在嚴(yán)寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿(mǎn)足要求，不一定要加防凍液。

5換熱面積與綜合傳熱系數(shù)

5.1換熱面積

一般換熱器換熱面積計(jì)算公式為：

……………………⑴

式中：

Q—換熱器換熱量w；

K—傳熱系數(shù)w/m·℃；

ΔT—對(duì)數(shù)溫差℃。

5.2綜合傳熱系數(shù)

地埋管換熱器用以上公式計(jì)算很不方便，因?yàn)楹茈y確定其換熱面積。

豎直埋管換熱器可以假設(shè)為“線(xiàn)熱源”模型。引入綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則較為簡(jiǎn)單、方便。

這里，將以某一流經(jīng)地埋管換熱器內(nèi)的流體介質(zhì)與大地初始溫度每相差1℃，通過(guò)單位長(zhǎng)度換熱管，單位時(shí)間所傳遞的熱量定義為綜合傳熱系數(shù)K。

……………………⑵

式中：

K—綜合傳熱系數(shù)w/m℃；

Q—換熱器單位時(shí)間換熱量，Q=Cm(t進(jìn)-t出)W；

L—換熱管有效長(zhǎng)度m；

TP—流體介質(zhì)平均溫度，℃；

T進(jìn)—U型管換熱器進(jìn)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(zhì)量流量kg/s；

Td—地溫℃。

地溫是恒定值，可通過(guò)測(cè)井實(shí)測(cè)。有關(guān)資料介紹某地地下約100米的地溫是當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶?℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃，實(shí)測(cè)天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規(guī)律。

影響豎直埋管綜合傳熱系數(shù)的因素有：地理位置、地質(zhì)構(gòu)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(yùn)行方式（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)還是間斷運(yùn)轉(zhuǎn)）。

綜合傳熱系數(shù)k可通過(guò)測(cè)井測(cè)得。由公式⑵可以看出，做一個(gè)地面鉆孔與預(yù)計(jì)工程應(yīng)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(cè)出各個(gè)參數(shù)帶入公式⑵即可計(jì)算出綜合傳熱系數(shù)。

測(cè)井也可測(cè)出U型豎埋管出水溫度T出。

綜合傳熱系數(shù)K在系統(tǒng)運(yùn)行初期波動(dòng)值較大，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后其值趨于一穩(wěn)定值。我們通過(guò)實(shí)測(cè)K值波動(dòng)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在目前數(shù)據(jù)資料較少情況下可取波動(dòng)平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)誤差不會(huì)太大。

6豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)

6.1確定設(shè)計(jì)參數(shù)與熱泵機(jī)組

6.1.1計(jì)算建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷及冬季熱負(fù)荷。

6.1.2確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進(jìn)出水溫度，進(jìn)而確定機(jī)組中工質(zhì)的夏季蒸發(fā)溫度及冷凝溫

度。

6.1.3計(jì)算冬季風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供水溫度，取回水溫度比供水溫度低7～12℃。設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度，根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。

6.1.4由建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷、機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負(fù)荷和冬季機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝

溫度，就可以進(jìn)行熱泵機(jī)組的選型設(shè)計(jì)，或?qū)?shù)提供給生產(chǎn)廠(chǎng)家，由廠(chǎng)家制造熱泵機(jī)組。

6.1.5確定熱泵機(jī)組型式（活塞機(jī)、螺桿機(jī)、蝸旋壓縮機(jī)等），查出或計(jì)算出

該機(jī)組在夏季埋管水溫最高時(shí)和冬季埋管水溫最低時(shí)工況下的COP值。

6.2計(jì)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(fù)荷加上埋管最高水溫時(shí)機(jī)組消耗功率（機(jī)組消耗功率等于夏季冷負(fù)荷除以埋管最高水溫時(shí)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(fù)荷減去埋管最低水溫

時(shí)機(jī)組所消耗的功率（機(jī)組消耗功率等于冬季熱負(fù)荷除以埋管最低水溫時(shí)COP值）。

6.3計(jì)算豎直埋管總長(zhǎng)度

6.3.1夏季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)算

①夏季換熱溫差DTx8C

DTx=Tx-Td……………………⑶

式中：

Txü夏季豎直埋管內(nèi)最高設(shè)計(jì)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(shù)W/m8C。

③夏季豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度Lxm

……………………⑸

式中：

Q夏—建筑物夏季總冷負(fù)荷W；

A—安全系數(shù)，取1.1-1.2。

6.3.2冬季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)算

①冬季換熱溫差DTD8C

DTD=Td-TD……………………⑹

式中:

TDü冬季豎直埋管內(nèi)最低設(shè)計(jì)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(shù)W/m8C。

③冬季豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度LDm

……………………⑻

式中：

Q冬—建筑物冬季總熱負(fù)荷W；

A—安全系數(shù)取1.1-1.2。

6.3.3確定豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度

以上計(jì)算取LX、LD二者中較大數(shù)值為本工程埋管總長(zhǎng)度Lm。

6.4計(jì)算豎直埋管數(shù)量并確定布置形式

6.4.1豎直埋管數(shù)量計(jì)算

……………………⑼

式中:

n—U型豎直埋管個(gè)數(shù)；

H—豎直埋管設(shè)計(jì)有效深度m；

L—埋管總長(zhǎng)度m。

6.4.2豎直埋管布置形式

結(jié)合工程場(chǎng)地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據(jù)測(cè)試結(jié)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(yàn)顯示，豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當(dāng)增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應(yīng)為紊流狀態(tài)，流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。

6.5.2確定水泵型號(hào)

流速確定后計(jì)算循環(huán)水流量及壓力損失即可選擇循環(huán)水泵的型號(hào)。

7結(jié)論

7.1地源熱泵空調(diào)是節(jié)能、環(huán)保、對(duì)地下水無(wú)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(yōu)點(diǎn)，應(yīng)予推廣。

7.2采用土壤鉆孔的綜合傳熱系數(shù)法，可簡(jiǎn)化地源熱泵的傳熱計(jì)算。

7.3豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)步驟，為設(shè)計(jì)人員提供了一種設(shè)計(jì)方法，有利于提高設(shè)計(jì)速度，并減少設(shè)計(jì)失誤。

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