基于地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)問題的思考

【摘要】本文主要就地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的方式和方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。地源熱泵空調(diào)是當(dāng)前空調(diào)領(lǐng)域中一種較為先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的節(jié)能和環(huán)保性能，從而能夠有效地提高空調(diào)的節(jié)能水平，隨著地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用，使得現(xiàn)代的空調(diào)設(shè)計(jì)水平得到了大幅度提升。本文就此提出了自己的觀點(diǎn)和看法，可供同行參考。

【關(guān)鍵詞】 地源熱泵； 空調(diào)； 設(shè)計(jì)

前言

近年來，地源熱泵供熱系統(tǒng)在建筑中得到越來越多的應(yīng)用。它有著更長的使用周期、較低的噪聲、更高的能效比和很少的污染物排放量等優(yōu)點(diǎn)逐步的走向我們的生活。隨著地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用，使得現(xiàn)代的空調(diào)設(shè)計(jì)水平得到了大幅度提升。然而就目前地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況而言，由于地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)是一種新型空調(diào)技術(shù)，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，還沒有一套完善的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。通過本文對地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的深入分析，相信讀者對其也有了更深刻的認(rèn)識。總而言之，為了進(jìn)一步提高地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)水平，就必須要加大地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究力度，從而才能夠滿足人們對現(xiàn)代建筑的新要求。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)，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。因此，目前在國內(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)。現(xiàn)在尚未見到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)手冊供設(shè)計(jì)人員使用，但又不能等待設(shè)計(jì)手冊出版后才使用地源熱泵技術(shù)。

一、地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式分析研究

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，管道中有液體流動通過循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)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(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、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(shè)置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。

二、豎直埋管換熱器型式分析研究

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。

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 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。

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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。可供選用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），等。

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。

4、豎直埋管換熱器中循環(huán)水溫度的設(shè)定。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，埋管長度要加長。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)值下降，能耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過經(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：（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。（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、并降低能耗。我們知道風(fēng)機(jī)盤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)盤管冬季也滿負(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℃。

三、豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)問題分析研究

1、確定設(shè)計(jì)參數(shù)與熱泵機(jī)組。一是計(jì)算建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷及冬季熱負(fù)荷。二是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。三是計(jì)算冬季風(fēng)機(jī)盤管的供水溫度，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)測井測出的進(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。四是由建筑物空調(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)廠家，由廠家制造熱泵機(jī)組。五是確定熱泵機(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。

2、確定豎直埋管水流速度與水泵選型。一是確定水流速。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)，流速太快會增加循環(huán)水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。二是確定水泵型號。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。

四、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度也隨之加快，人們的生活生產(chǎn)水平得到了大幅度提高，而人們對建筑也提出了更高的要求。在這一時(shí)代背景的要求下，建筑行業(yè)也得到了長足的發(fā)展，在現(xiàn)代的建筑行業(yè)中各種施工材料和施工技術(shù)以及施工設(shè)備都得到了長足的發(fā)展，并且還涌現(xiàn)出了大批更為先進(jìn)的施工材料和施工技術(shù)以及施工設(shè)備，而隨著這些材料和技術(shù)以及設(shè)備在建筑工程中的應(yīng)用，使得現(xiàn)代建筑的質(zhì)量和性能都得到了大幅度提升，從而為滿足人們對建筑的新要求奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為促進(jìn)城市化建設(shè)起到了不可估量的作用。在當(dāng)前的建筑中，通常會應(yīng)用到各種各樣的空調(diào)系統(tǒng)，在這些空調(diào)系統(tǒng)中，地源熱泵空調(diào)是當(dāng)前空調(diào)領(lǐng)域中一種較為先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的節(jié)能和環(huán)保性能，從而能夠有效地提高空調(diào)的節(jié)能水平，隨著地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用，使得現(xiàn)代的空調(diào)設(shè)計(jì)水平得到了大幅度提升。然而就目前地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況而言，由于地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)是一種新型空調(diào)技術(shù)，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，還沒有一套完善的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，而為了進(jìn)一步提高地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)水平，就必須要加大地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究力度。本文從地源熱泵空調(diào)的概述出發(fā)，對地源熱泵空調(diào)進(jìn)行了深入的研究，并且對具體的地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的方式和方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。希望能夠起到拋磚引玉的效果，使同行相互探討共同提高，進(jìn)而為我國地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)起到一定的參考作用。

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