地源热泵空调系统技术与设计介绍

地源热泵空调系统技术与设计介绍内容摘要：

1）选择安装风管的最佳位置； （ 2）根据室内的得热量 /热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置； （ 3）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。 室内末端系统一般采用既能供热又能供冷，因此设计时必须二者兼顾。 一个不能提供舒适 性环境的系统运行时效率必然很低。 土壤热泵系统通常采用两种类型的送风系统：地板四周下 送风系统和吊顶上送风系统。 对于只有一层的建筑来说，热泵系统的送风装置的理想安装位置就是沿房间外墙地板或四 周的地板。 这种送风方式是处理过的空气形成一股垂直向上分散的气流，这使系统无论在冬季 还是夏季都能保证良好的气流分布和良好的舒适感。 地板下送风系统通常采用吊顶回风或上回 风方式回风。 上回风系统中，顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸入回风管内，当系统开始运 行时冷空气从地板下向上流动，并充满整个房间。 由于在制冷运行期间，将最热的空气返回系 统，故系统的效率较高。 由于经过土壤热泵系统处理的空气比空气源热泵处理的空气温度高，但比从锅炉出 来的空 气温度要低 ， 为了保证能有一个舒适的环境 ， 设计的风管和散流器应能向室内送入足够的风量。 其他注意事项 1） 与常规空调系统类似 ， 需在高于闭式循环系统最高点 处 （一般为 1m） 设计膨胀水箱或膨 胀罐，放气阀等附件。 2 ）在某些商用或公用建筑物的土壤热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下 热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热 工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要 是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散 热量。 该方法可以降低安装费用，保证土壤热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工 程。 17 二、土壤热泵系统（ GCHP）的土壤换热器设计 筑龙网 地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其 选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。 地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间 距确定，管道阻力计算及水泵选型等。 对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要 的同时成本最低。 土壤换热器的选型主要涉及以下几个方面： 土壤换热器埋管的布置型式 目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布 置 型式，即水平埋管和垂直埋管。 选择方式主 要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较 经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。 实际工程中往往在现场勘测结果的基础上， 考 虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻 孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。 尽管水平布置通常是浅层埋管，可 采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土 地面积的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。 水平埋管 水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟 二 层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形 式 ， 由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场 ， 换热效率好于单层 ， 而且占地面积较少， 因此应用多层管的较多。 18 筑龙网 w 近年来国外又新开发了两种水平埋管形式， 一 种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。 它 们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。 管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面 积 开挖方法，在商用建筑的施工中常借助水利 工程相关施工机械如开渠机等。 从国内实际工程经验看中，单层管最佳深度 ～ ，双层管 ～ ，但无论任何情 况均应埋在当地冰冻线以下。 由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施 工时，占用场地大，在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配；螺旋管优于直管，但不易施 工。 由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况 （如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应 ） ， 对冬夏冷暖联供系统使用者很少。 位于美国北方一 工程水平埋管系统的典型实例显示，地下埋管换热器有效换热 量 70kW，系统液体的流量为 ( L /s)。 24 个循环回路 ， 12 条沟 ， 沟间距。 每个回路的换热负荷 ， 液体 流量 ( L /s)， 单位换热量的液体流量为 kW（ kW）。 可 利 用 19 的地面积是 83m 30m=2 490m2。 垂直埋管 根据埋管形式的不同 ， 一般有单 U 形管 ， 双 U 形管 ， 套管式管 ， 小直径螺旋盘管和大直径 螺旋盘管 ， 立式柱状管 、 蜘蛛状管等形式 ； 按埋设深度不同分为浅 埋 （ ≤ 30m） 、 中 埋 （ 31～ 80m） 和深埋（ 80m）。 目前使用最多的是单 U 形管（ SingleUpipe） ，双 U 形管（ DoubleUpipe） ，简单套管式管 （ Simple Coaxial pipe） ，下面作一简述。 1） U 形管型是在钻孔的管井内安装 U 形管 ， 一般管井直径为 100～ 150mm， 井深 10~200m， U 形管径一般在 φ 50mm 以下（主要是流量不宜过大所限 ）。 由于其施工简单，换热性能较好， 承压高 ， 管路接头少 ， 不易泄漏等原因 ， 目前应用最多。 如美国加州斯托克斯大学供应了 48 万 m2 空调建筑的地源热泵系统，有 390 个深度超过 120m 的地下埋管，据介绍，采用这种地源热 泵系统较常规空调每年可节约各种费用 万美元 ， 其中能量费用 33 万美元 ， 节电 25%， 节约 燃料费 70%。 国外有的工程把 U 形管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面，这种技 术称为桩基换热器或是能量桩。 也有直接在建筑物框架内直接埋设布置管道，作为厚板埋管工 程（ embedded pipework slab）的一个应用。 20 筑龙 . 如瑞士某工厂地源热泵系统从 600 个桩基中吸收热量或冷量，用于 2 万平方米建筑物的供 暖和制冷。 2）套管式换热器的外管直径一般为 100～ 200mm，内管为 φ 15～ φ 25ｍｍ。 由于增大了管 外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据文献试验结果，其换热效率较 U 形 管提高 %。 其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比 U 形管高。 在套 管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度 ≤ 30m 的竖埋直管， 对 中 埋 采用此种形式宜慎重。 为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证 严密性。 土壤换热器的埋管深度 水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。 关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况， 工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。 结合国情与工程实践，其中有几 21 点应注意到： ① 钻井深 60m 以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于 60m，其钻机成本会提 高 ； ② 井深 80m 以内 ， 可用国产普通型承 压 （承压 ） 塑料管 ， 如深度大于 80m， 需采用 高承压塑料管，其成本大大增加； ③ 据比较，井深 50m 的造价比 100m 的要 低 30%～ 50%。 上 述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。 一般来讲 ， 浅埋管优点是 ： 投资少 ， 成本低 ， 钻机要求不高 ， 可使用普通承 压 （ ～ ） 的塑料管 ， 由于受地面温度影响 ， 一般地下岩土冬夏热平衡性较好。 其缺点是占用场地面积大， 管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。 深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位管长换热量大， 管路接头少。 其缺点是投资大 ， 成本高 ， 需采用高承 压 （ ～ ） 塑料管 ， 钻机性能要求 高 ； 由于深层岩土温度场受地面温度影响很小 ， 因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡， 否则将影响地源热泵的长期使用效果。 在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措 施，帮助地下岩土实现热平衡。 中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。 从统计的国内外。