地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
時間:2022-02-10
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原標(biāo)題：地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。
地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部，只是冬夏兩季工作的溫度范圍不同而已。
地源熱泵的分類與應(yīng)用形式
根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。
埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)
垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)：換熱器井管路直接接入機(jī)房、換熱器井管路匯集到集水器。
垂直埋管－樁基換熱器：
垂直埋管－地?zé)嶂悄軜颍?br> 螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)：長軸水平布置的螺旋埋管、長軸豎直布置的螺旋埋管、溝渠集水器式螺旋埋管。
埋管式地源熱泵應(yīng)用方式
地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計
熱泵機(jī)組的選擇
熱泵容量的選擇；
熱泵性能的確定：土壤熱泵的性能取決于熱泵的進(jìn)水溫度，必須確定室外空氣和進(jìn)水溫度之間的關(guān)系。進(jìn)水溫度與多個因素有關(guān)，如一年的運(yùn)行時間，土壤類型，土壤換熱器的類型、大小等。
冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式計算：
其中，
Q11—夏季向淺層地表排放的熱量，kW，Q1—夏季設(shè)計總冷負(fù)荷，kW
Q12—冬季從淺層地表吸收的熱量，kW，Q2—冬季設(shè)計總熱負(fù)荷，kW
COP1—設(shè)計工況下水-水熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)
COP2—設(shè)計工況下水-水熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)
選擇室內(nèi)末端系統(tǒng)
風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，屋頂?shù)匕遢椛洳膳绞剑諝庀到y(tǒng)等。通常采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時，空氣分布系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮以下三個方面：
（1）選擇安裝風(fēng)管的最佳位置；
?。?）根據(jù)室內(nèi)的得熱量/熱損失計算來選擇并確定空氣分布器和回風(fēng)格柵的位置；
?。?）根據(jù)熱泵的風(fēng)量和靜壓力，布置風(fēng)管的走向，確定風(fēng)管的尺寸。
地源熱泵土壤熱響應(yīng)測試
設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過大，從而加大初期投資。另外，不同的封井材料、埋管方式對換熱都有影響，因此只有在現(xiàn)場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。
埋管式地源熱泵熱響應(yīng)測試要求
實(shí)驗(yàn)主要在三個方面展開：
1）首先是熱響應(yīng)測試，以恒定的加熱功率求出地埋管換熱器進(jìn)出口溫度隨時間的變化情況，通過曲線擬合求出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性；
2）模擬夏季空調(diào)的制冷試驗(yàn)，測量井埋管換熱器的放熱能力；
3）模擬冬季的制熱試驗(yàn)，測量井埋管換熱器取熱能力。
熱響應(yīng)測試原理
熱響應(yīng)測試步驟
1.合理制定試驗(yàn)方案，根據(jù)現(xiàn)場及設(shè)計條件，合理選擇試驗(yàn)鉆孔位置，避免傳熱干擾，試驗(yàn)包括放熱和取熱試驗(yàn)；
2.測量并提供地下土壤的初始溫度分布；
3.通過測量分析計算地下土層的綜合熱物性參數(shù)，包括土壤導(dǎo)熱系數(shù)和熱容，回填料的熱物性參數(shù)和配比以及管材的熱物性參數(shù)；
4.按照設(shè)計工況測試，測量提供埋管取熱、放熱特性，并進(jìn)行分析對比。
5.根據(jù)埋管群布置情況，利用試驗(yàn)及模擬所得的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對整個地源熱泵埋管區(qū)域地下熱響應(yīng)進(jìn)行計算機(jī)模擬計算分析，得出：地下土壤溫度隨時間變化；分別以加輔助散熱設(shè)備和不加輔助散熱設(shè)備兩種情況下，得到實(shí)際運(yùn)行的土壤熱積聚情況分析；并根據(jù)土壤熱積聚情況分析計算出供冷季和供熱季地源熱泵系統(tǒng)供冷供熱能力。
6.根據(jù)模擬分析，為保證全年土壤取放熱量平衡給出輔助散熱設(shè)備的設(shè)計容量以及與地埋管換熱器聯(lián)合運(yùn)行的控制策略。為工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。
地埋管土壤換熱器設(shè)計
在現(xiàn)場勘測的基礎(chǔ)上確定換熱器埋管采用垂直布置還是水平布置方式。盡管水平布置時通常為淺層埋管，初投資一般會少些,但換熱性能比垂直布置時差很多，并且往往受可利用土地面積的限制,所以在實(shí)際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。
1 水平埋管：水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式。
2 垂直埋管：一般有單U 形管，雙U 形管，W型管、套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設(shè)深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。目前使用最多的是單U 形管（Single-U-pipe），雙U 形管（Double-U-pipe），簡單套管式管（Simple Coaxial pipe）。
3 土壤換熱器的埋管深度：①鉆井深60m 以內(nèi)井深的鉆機(jī)成本少，費(fèi)用低，如果大于60m，其鉆機(jī)成本會提高；②井深80m 以內(nèi)，可用國產(chǎn)普通型承壓（承壓1.0MPa）塑料管，如深度大于80m，需采用高承壓塑料管，其成本大大增加；③據(jù)比較，井深50m 的造價比100m 的要低30%～50%。上述是針對地面中央機(jī)房而言，如果采用分室型的水源熱泵系統(tǒng)還要考慮建筑高度的影響。
從統(tǒng)計的國內(nèi)外工程實(shí)例看，中埋的地源熱泵占多數(shù)。
連接方式
地下?lián)Q熱器中流體流動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種：
串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費(fèi)用較高,并且壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小管道費(fèi)用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時,其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。
管材選擇及長度計算
管材選擇
地埋管應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（PE）或聚丁烯管（PB）。（PE 材料按照國際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)劃分為五個等級：PE32 級、PE40 級、PE63 級、PE80 級和PE100 級。用于地源熱泵管道PE 管的生產(chǎn)為高密度聚乙烯HDPE，其等級是PE80、PE100 兩種）。
地埋管長度計算
地源熱泵換熱器的換熱量應(yīng)該滿足空調(diào)主機(jī)實(shí)際所需最大吸熱量和施熱量。
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的巖土體及回填材料的熱物性，以及熱泵機(jī)參數(shù)、建筑物逐月負(fù)荷、設(shè)定循環(huán)液體進(jìn)出溫度、給定換熱器結(jié)構(gòu)尺寸，采用專用軟件進(jìn)行計算。也可以用半經(jīng)驗(yàn)公式計算。
地埋換熱器系統(tǒng)水力計算
管道壓力損失計算：在同程系統(tǒng)中,選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計算。
循環(huán)泵的選擇：單機(jī)揚(yáng)程一般不超32m，變流量水泵，功率不超過30kw。塑料管的摩擦阻力遠(yuǎn)比鐵管小。
確定埋管管長與埋管間距：地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等（通過熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測得）。規(guī)定管間距不小于4米。
地下熱平衡設(shè)計
《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2009規(guī)定：
地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計算，最小計算周期宜為一年。計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋（排）熱量宜與其總吸（?。崃肯嗥胶?。
各種設(shè)計方案的機(jī)理：依據(jù)巖土體的熱平衡狀況：即不同地區(qū)氣候條件、不同功能的空調(diào)房間和不同運(yùn)行方式所形成的累積排熱量與累積取熱量的狀況。
全年累積排、取熱量比ral
全年累積排、取熱量比ral（ratio of accumulated loads）是全年向地埋管換熱器的總排熱量與其總?cè)崃恐取?br> 歷年累積排、取熱總量曲線
ral≈1的工程，冬季開始供熱使用，然后在夏季制冷，全年冬夏季取排熱總量相等，負(fù)荷總量變化曲線為曲線①。反之，夏季開始制冷使用，則為曲線④。
熱平衡設(shè)計的九種設(shè)計方案
據(jù)巖土體的累積排熱量和累積取熱量的平衡狀況和我國不同地域、不同氣候特點(diǎn)，提出以下9種設(shè)計方案：
方案應(yīng)用的地域性分析
以5個典型氣候區(qū)域代表城市的全年逐時空調(diào)負(fù)荷為例分析，5個代表城市分別為嚴(yán)寒A區(qū)的齊齊哈爾，嚴(yán)寒B區(qū)的沈陽，寒冷地區(qū)的北京，夏熱冬冷地區(qū)的上海，夏熱冬暖地區(qū)的廣州。
依據(jù)：不平衡率越接近0時越容易實(shí)現(xiàn)全年熱平衡，而越接近±100%則越難實(shí)現(xiàn)熱平衡。
城市
所屬氣候區(qū)
熱量不平衡率%
可能的適用方案
熱泵形式
齊齊哈爾
嚴(yán)寒區(qū)
-96
方案7～9
----
沈陽
嚴(yán)寒區(qū)
-88.2
方案7～9
----
北京
寒冷區(qū)
-54.2
方案7～9
----
上海
夏熱冬冷區(qū)
26.5
方案2～6
----
廣州
夏熱冬暖區(qū)
85
方案2～6
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行控制管理
地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵：穩(wěn)定性、系統(tǒng)節(jié)能；
穩(wěn)定性：地下放熱取熱穩(wěn)定、長期運(yùn)行的土壤熱平衡；
系統(tǒng)節(jié)能：機(jī)組運(yùn)行模式（熱回收）、輸送節(jié)能、地下有效交換換熱。
復(fù)合運(yùn)行模式
1）設(shè)定溫度控制：以埋管換熱為主，當(dāng)通過埋管進(jìn)入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）達(dá)到并超過一設(shè)定溫度時，即開啟冷卻塔輔助散熱。
2）溫差控制：當(dāng)通過埋管進(jìn)入冷凝器的水溫（或離開冷凝器的水溫）與室外濕球溫度的差值超過一設(shè)定溫度時，則開啟冷卻塔輔助散熱。
3）控制開啟時間：固定冷卻塔的開啟時間，例如每天晚上 8 點(diǎn)到 12 點(diǎn)開冷卻塔，或固定每年某幾個月始終開啟冷卻塔。
具體功能
客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)
熱濕狀態(tài)監(jiān)測
熱泵操作參數(shù)限制
冷卻塔/電動閥門/管路的自動切換
水地源地下溫度監(jiān)控
循環(huán)水泵狀態(tài)監(jiān)測及自動控制
末端狀態(tài)監(jiān)測及自動控制
歷史數(shù)據(jù)查詢
能耗遠(yuǎn)程管理
責(zé)任編輯：
