谈地源热泵空调设计(1)

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谈地源热泵空调设计(1)

  摘要:地源热泵是节能、环保型冷热源装置。竖直埋管式地源热泵还具有对地下水无污染,并不影响地面沉降的优点,而且占地少、投资小、施工快。采用综合传热系数法,可大大简化地源热泵的传热计算。竖直埋管式地源热泵空调设计步骤,可规范工程设计、减少设计失误,并能提高设计速度。

  关键词:地源热泵竖直埋管综合传热系数

1概述  地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术,它既不会污染地下水,又不会影响地面沉降。因此,目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注,希望尽快应用这项新技术。现在尚未见到有关地源热泵技术设计手册供设计人员使用,但又不能等待设计手册出版后才使用地源热泵技术。笔者从实践角度对中小型地源热泵空调工程设计程序进行深讨,供同行讨论。

  地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将着重探讨有关地下换热器的问题。

2地源热泵地下换热器的形式  众所周知,热泵机组的热源有空气源、水源、土壤源等。

  土壤源热泵空调也叫地源热泵空调,就是在地下埋设管道作为换热器,管道与热泵机组连接形成闭式环路,管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下(供冷工况),或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热(供热工况)。

  土壤源热泵换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。

3竖直埋管换热器型式  最常用的竖直埋管换热器就是由垂直埋入地下的U型管连接组成。

  竖直埋管深度

  竖直埋管可深可浅,须根据当地地质条件而定,如20m、30m……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。例如天津地区地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。

  竖直埋管材料

  埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32等。

  竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料

  竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。

  根据地质结构不同,钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300,天津地区地表土壤层很厚,为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。

  回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好,而且施工容易、造价低,可广泛采用。

4竖直埋管换热器中循环水温度的设定  竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。

  设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度,因为这个设定和整个空调系统有关。如夏季温度设定较低,对热泵压缩机制冷工况有利,机组耗能少,但埋管换热器换热面积要加大,即钻孔数要增加,埋管长度要加长。反之温度设定较高,钻孔数和埋管长度均可减少,可节省投资,但热泵机组的制冷系数cop值下降,能耗增加。设定值应通过经济比较选择最佳状态点。笔者认为埋管水温应如下设定:

  热泵机组夏季向末端系统供冷水,设计供回水温度为7—12℃,与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应  热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同,在满足供热条件下,应尽量减低供热水温度,这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值,并降低能耗。

  我们知道风机盘管供热能力大于供冷能力,而一般建筑物的夏季冷负荷大于冬季热负荷,所以风机盘管的选型是以夏季冷负荷选型、冬季热负荷校核。采用地源热泵空调冬季供热时,可根据冬季热负荷实际情况,让风机盘管冬季也满负荷运行而反算出供热水温度,此温度要小于常规空调60℃的供水温度(大约供水为40℃左右)。将此温度定为热泵机组冬季供水温度。供回水温差取7~10℃。

  地埋管中循环水冬季进水温度,以水不冻结并留安全余地为好,可取3—4℃。当然为了使地埋管换热器获得更多热量,可加大循环水与大地间温差传热,然而大地的温度是不变的,因此只有将循环水温降至0℃以下,为此循环水必须使用防冻液,如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做,而在华北地区的工程中用水就可满足要求,不一定要加防冻液。

5换热面积与综合传热系数  换热面积

  一般换热器换热面积计算公式为:

  ……………………⑴

  式中:

  Q—换热器换热量w;

  K—传热系数w/m·℃;

  ΔT—对数温差℃。

  综合传热系数

  地埋管换热器用以上公式计算很不方便,因为很难确定其换热面积。

  竖直埋管换热器可以假设为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算,则较为简单、方便。

  这里,将以某一流经地埋管换热器内的流体介质与大地初始温度每相差1℃,通过单位长度换热管,单位时间所传递的热量定义为综合传热系数K。

  ……………………⑵

  式中:

  K—综合传热系数w/m℃;

  Q—换热器单位时间换热量,Q=Cm(t进-t

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谈地源热泵空调设计(1) 摘要:地源热泵是节能、环保型冷热源装置。

竖直埋管 式地源热泵还具有对地下水无污染,并不影响地面沉降的优 点,而且占地少、投资小、施工快。

采用综合传热系数法, 可大大简化地源热泵的传热计算。

竖直埋管式地源热泵空调 设计步骤,可规范工程设计、减少设计失误,并能提高设计 速度。

关键词:地源热泵竖直埋管综合传热系数 1 概述 地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可 持续发展的新技术,它既不会污染地下水,又不会影响地面 沉降。

因此,目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注, 希望尽快应用这项新技术。

现在尚未见到有关地源热泵技术 设计手册供设计人员使用,但又不能等待设计手册出版后才 使用地源热泵技术。

笔者从实践角度对中小型地源热泵空调 工程设计程序进行深讨,供同行讨论。

地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。

本文将着重 探讨有关地下换热器的问题。

2 地源热泵地下换热器的形式 源有空气源、水源、土壤源等。

土壤源热泵空调也叫地源热泵空调,就是在地下埋设管 道作为换热器,管道与热泵机组连接形成闭式环路,管道中 有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地 众所周知,热泵机组的热 下(供冷工况) ,或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物 供热(供热工况) 。

土壤源热泵换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管 等。

这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。

在中国采 用竖直埋管更显示出其优越性: 节约用地面积, 换热性能好, 可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不 影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见 缝插针充分利用可利用的土地面积。

3 竖直埋管换热器型式 最常用的竖直埋管换热器就是由 垂直埋入地下的 U 型管连接组成。

竖直埋管深度 竖直埋管可深可浅, 须根据当地地质条件而定, 如 20m、 30m……直到 200m 以下。

确定深度应综合考虑占地面积、钻 孔设备、钻孔成本和工程规模。

例如天津地区地表土壤层很 厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,因深埋管 的成本低、换热性能好、并可节约用地。

竖直埋管材料 埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具 有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等 优点。

可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE 管) ,铝塑管 等。

竖直埋管的管径也可有不同选择,如 DN20、DN25、DN32 等。

竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料 竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深 度, 将制作好的 U 型管下入孔中, 然后在孔中回填不同材料。

在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有 U 型管并联构 成地下换热器。

根据地质结构不同,钻孔孔径可以是Ф 100、Ф 150、Ф 200 或Ф 300,天津地区地表土壤层很厚,为了钻孔、下管方 便多采用Ф 300 孔径。

回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土 壤等。

材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因 素。

从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、 施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。

回填沙石或碎 石换热效果比较好,而且施工容易、造价低,可广泛采用。

4 竖直埋管换热器中循环水温度的设定 竖直埋管换热器 中流动的循环水的温度是不断变化的。

夏季供冷工况进行时, 由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温 又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。

冬 季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失 热最多时,换热器中水温达到最低点。

设计时,首先应


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