關(guān)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡宜培

摘 要：熱泵能將自然界低溫廢熱轉(zhuǎn)化成高溫的可再生熱能，能節(jié)約燃料、減少環(huán)境污染。本文主要介紹了地埋管地源熱泵系統(tǒng)，并探討了地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：地埋管；地源；熱泵；設(shè)計(jì)

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 地埋管地源熱泵涵義

地埋管地源熱泵主要工作原理就是借助水或者包含水的防凍劑在地下的埋管中流動(dòng)，最終確保系統(tǒng)和土壤相互間的熱傳遞。在寒冷季節(jié)的供熱時(shí)，地埋管中流體吸走了地下的熱量，再以系統(tǒng)作為媒介，將熱量帶入室內(nèi)；而在酷暑的季節(jié)制冷時(shí)，系統(tǒng)將熱量從室內(nèi)趕走，再以埋管中的流體為媒介把熱量傳至土壤內(nèi)。所以，地埋管地源熱泵系統(tǒng)既維持了地下水地源熱泵系統(tǒng)使用大地進(jìn)行作業(yè)的作用，又無(wú)需抽取地下水來進(jìn)行熱傳遞。這是一種可以節(jié)約能源的環(huán)境友好型節(jié)能系統(tǒng)。

1.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的組成

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的組成如圖1所示，它的構(gòu)成主要包括：地能采集系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。地能采集系統(tǒng)主要組成元素是地埋管換熱器。水源熱泵機(jī)組包括兩種：水/空氣熱泵與水/水熱泵，它主要是把低位熱能轉(zhuǎn)移到高位熱能的設(shè)備。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)就是科學(xué)處理室內(nèi)空氣參數(shù)，讓室內(nèi)環(huán)境更好的符合需求，在冬季時(shí)為人們提供暖氣，夏季時(shí)提供供冷。控制系統(tǒng)就是結(jié)合室外環(huán)境的改變適當(dāng)提升系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)流量，以便符合人們的需求。

圖1地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)就是借助熱泵機(jī)組來完成2個(gè)耦合：其中之一就是借助水循環(huán)或防凍液實(shí)現(xiàn)循環(huán)，最終讓地能采集系統(tǒng)和水源熱泵機(jī)組相互間形成耦合關(guān)系；另一是空調(diào)系統(tǒng)與熱泵機(jī)組之間借助水或空氣循環(huán)實(shí)現(xiàn)耦合。通過這2個(gè)耦合最終將低位熱能轉(zhuǎn)向高位熱能。

在寒冷的冬季，開啟水源熱泵系統(tǒng)中的Vl，V2，V3和v4閥門，再關(guān)閉其他閥門。借助與水或防凍液水溶液等中間介質(zhì)的循環(huán)，跟土壤實(shí)現(xiàn)熱交換，最終吸取土壤中的低位熱量，并將這些熱量送至水源熱泵機(jī)組內(nèi)的蒸發(fā)器中，以熱泵技術(shù)，把低位熱能轉(zhuǎn)變成高位熱能，完成建筑的實(shí)際供暖。而在炎熱的夏季，開啟水源熱泵機(jī)組中的V5，V6，V7和V8閥門，再關(guān)閉其他閥門。將蒸發(fā)器中蒸發(fā)出的冷凍水送給用戶，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的實(shí)際除濕降溫，而冷凝器中的水吸走了冷凝熱量，加熱后的水又借助板式換熱器將熱量傳至地埋管換熱器中的流動(dòng)水源，最終實(shí)現(xiàn)熱量到土壤的傳遞。

1.3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的分類

從地埋管換熱器上來考慮，可地埋管地源熱泵系統(tǒng)注意包括下述2種。

（1）水平埋管系統(tǒng)

這種系統(tǒng)比較適宜用于大面積的地表區(qū)域，并且這種淺層巖土體在溫度與熱物性上不容易受到雨水與埋深的影響。應(yīng)該將埋管深度控制在1.2到3米之間。埋管形式主要包括水平管換熱器與螺旋管換熱器。這種系統(tǒng)成本少，施工方便，但是換熱器傳熱的效果不好，容易受到地面溫度變化的影響，熱泵在運(yùn)行時(shí)不夠穩(wěn)定，會(huì)占據(jù)較大的地域面積。

（2）豎直埋管系統(tǒng)

如果是一些不適合使用水平埋管的地方，應(yīng)該使用的形式是豎直埋管換熱器，這種形式比較適宜用在埋深10至100米的U形垂直埋管、套管及螺旋管中。這種系統(tǒng)不僅能節(jié)省較多的占地面積，深層土壤中的溫度穩(wěn)定性較強(qiáng)，熱泵能穩(wěn)定的運(yùn)行，但是初始階段的投資費(fèi)用比較多，埋管甚至?xí)嫉匠跏纪顿Y階段費(fèi)用的50%。

2 地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題探討

2.1 土壤熱物性問題

土壤熱物性問題主要包括熱導(dǎo)率與蓄熱性。熱導(dǎo)率主要是指沿法線方向的溫差在1℃左右時(shí)，土壤的實(shí)際傳遞熱量。蓄熱性主要是指土壤溫度在出現(xiàn)1℃改變時(shí)，單位面積中的土壤所能容納的熱量。這時(shí)，土壤的熱導(dǎo)率跨度比較大，會(huì)處于0.5至2.5W/（m·K）之間，它的具體值會(huì)跟土壤含水量和化學(xué)成分等因素有密切關(guān)系。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對(duì)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際土壤熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，或參考本地水文地質(zhì)部門近期的資料，來明確土壤熱導(dǎo)率。不能因?yàn)楣こ逃?jì)算中沒有資料可以參考，就使用1.75W/（m·K）的土壤熱導(dǎo)率。因?yàn)檫@無(wú)法反映實(shí)際管道部位的土壤情況，會(huì)引起很大的計(jì)算誤差。要是計(jì)算不夠準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致貯熱土壤溫度的不適宜，直接影響地埋管換熱器的傳熱穩(wěn)定性和熱泵機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效果。

2.2 地埋管換熱器的熱平衡

應(yīng)該對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)實(shí)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最好是以一年當(dāng)成最小的計(jì)算周期。在這個(gè)計(jì)算周期中，確保地埋管地源熱泵總釋防熱量跟總吸熱量保持平衡。應(yīng)該確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量跟建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷相應(yīng)，最大吸熱量跟建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相應(yīng)。普遍來說，南方酷熱的天氣中制冷需要冬天制熱大很多的負(fù)荷，導(dǎo)致夏季空調(diào)轉(zhuǎn)向土壤的排熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過冬季供暖所需熱量，導(dǎo)致全年冷熱負(fù)荷出現(xiàn)了較大程度的平衡失調(diào)，使得地埋管位置的持續(xù)溫度升高，最終直接影響了地埋管換熱器的換熱性能，大大降低了地埋管換熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率。設(shè)計(jì)要根據(jù)冬天的實(shí)際負(fù)荷選用地下?lián)Q熱器，夏季應(yīng)該借助冷卻塔的設(shè)置來補(bǔ)償制冷負(fù)荷，可以借助換熱器和冷卻塔把地埋管換熱器中的流體冷卻，確保系統(tǒng)總釋熱量跟總吸熱量保持平衡，再者，還應(yīng)大大減少地埋管換熱器的面積，以便節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的初始資金投入。

2.3 控制地埋管換熱器中的流速

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和所用管材相同時(shí)，管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)直接影響到地埋管換熱器內(nèi)流體和土壤換熱。紊流的傳熱效果要大大好過層流狀態(tài)。應(yīng)以流動(dòng)狀態(tài)增加管內(nèi)流速，提高紊流脈動(dòng)程度，增加地埋管換熱器的換熱效果。對(duì)于圓管壓力流，管內(nèi)流體的臨界雷諾數(shù)為2300。所以，選好管材的類型后，應(yīng)該結(jié)合管內(nèi)流體的動(dòng)力黏度和密度等參數(shù)，對(duì)管內(nèi)流體的流動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，確保此流速狀態(tài)下，管內(nèi)流體的雷諾數(shù)在2300以上，保證管內(nèi)流體處在紊流狀態(tài)。

2.4 地埋管換熱器的承壓?jiǎn)栴}

這個(gè)問題相當(dāng)重要，特別是豎直埋管更要做好承壓設(shè)計(jì)。要驗(yàn)證系統(tǒng)中最不利點(diǎn)管道的工作壓力，當(dāng)所選用管材的公稱壓力不能符合系統(tǒng)的工作壓力時(shí)，則換用耐壓等級(jí)更高的管道或用中間換熱器將地下埋管換熱器與建筑物內(nèi)系統(tǒng)分開。

2.5 埋管深度及數(shù)量?jī)?yōu)化問題

地埋管換熱器埋設(shè)的深度與埋設(shè)的數(shù)量成反比，確定埋管深度和數(shù)量是設(shè)計(jì)地埋管換熱器的關(guān)鍵，應(yīng)進(jìn)行較為嚴(yán)格的優(yōu)化。管道埋深首先受埋管區(qū)域的地質(zhì)影響，有些區(qū)域易于成井，如黃粘土，且成井造價(jià)低，可適當(dāng)增加埋深；有的土質(zhì)不易于成井，如巖石、流砂等，且成井造價(jià)高。應(yīng)盡量減少埋深。其次受塑料管道承壓能力的限制，對(duì)于PPR塑料管，承壓能力不超過1.6MPa。如果不考慮管內(nèi)流動(dòng)阻力影響，其最多能承受160MPa的壓力，將補(bǔ)水定壓考慮字啊內(nèi)，埋管深度要在120m左右。確定了管道埋深后，再確定管道的數(shù)量。不可單憑經(jīng)驗(yàn)就確定下來。

2.6 塑料管熱膨脹及應(yīng)力消除問題

地埋管換熱器采用塑料管，塑料的穩(wěn)定性較好，具有較好的彈性和韌性，可以發(fā)生一定量的變形。而對(duì)于PPR管道，其線性膨脹系數(shù)為0.16-0.18mm/m·K，當(dāng)管道直線距離過長(zhǎng)時(shí)，溫度變化會(huì)加大伸長(zhǎng)量，可能會(huì)破壞管道的應(yīng)力集中處。設(shè)計(jì)時(shí)每隔一段距離就應(yīng)彎曲管道，或者設(shè)置固定墩來分解管道應(yīng)力。具體的距離要分析塑料管道應(yīng)力后才能確定。

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