暖通空调热泵技术-第6章-1。

1第6章土壤耦合热泵空调系统?土壤耦合热泵空调系统简介?地埋管换热器的管材与传热介质；?地埋管换热器的布置形式?地埋管换热器的计算2埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPS）或“土壤源热泵系统(Ground-sourcesheatpumpsGSHPS)，包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。6.1土壤耦合热泵空调系统简介3热冷替代冷却塔热热热冷土壤耦合热泵空调系统工作原理（夏季）地下土壤全年基本18℃以水为媒介向土壤散热室内空气26℃热泵机组接室内空调末端从土壤中提取冷量室外空气34℃37℃32℃12℃7℃4冷温暖冷冬季地下土壤全年基本18℃室内空气18℃热泵机组接室内空调末端从土壤中提取热量室外空气0℃替代锅炉温暖40℃45℃8℃12℃组成：（1）室外环路（2）制冷剂环路（3）室内环路5冷凝器V1V2V6V5V3V7V4V8蒸发器节流机构压缩机板式换热器地下埋管6.1.1土壤耦合热泵空调系统的组成6冷凝器V1V2V6V5V3V7V4V8蒸发器节流机构压缩机地下埋管没有板式换热器的地埋管地源热泵系统76.1.2土壤耦合热泵空调系统的分类土壤耦合热泵闭式系统混合系统单井循环系统水平式埋管换热器垂直式埋管换热器盘管螺旋管U形管套管螺旋管冷却塔补偿式太阳能辅助式冷却池塘辅助式81、水平埋管地源热泵系统（Horizontalground-coupledheatpump）?比较简单的方式是，当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，可以把单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下。当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器的布置问题，常用的布置方式有以下两种。（a）串联式水平埋管（b）并联式水平埋管92、垂直埋管地源热泵系统（Verticalboreholeground-coupledheatpump）a）比较简单的方式是，当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少可以直接接入机房。b）当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器井群的布置问题，一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。换热器井管路直接接入机房换热器井管路汇集到集水器10c）桩基换热器（或叫做能量桩，EnergyPiles)即在桩基里布设换热管道d）地热智能桥类似桩基换热器，由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。雪落到桥面后，这些盘管利用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。113、螺旋埋管地源热泵系统（Slinkyground-coupledheatpump）a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统b）长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）12c）螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统134.混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉或太阳能联合使用作为冷热源的系统。在冷负荷大于热负荷时，若以夏季冷负荷设计埋管会大大增加初投资，冬季又浪费能源，因此可以采用冷却塔辅助冷却，减少埋管尺寸，降低安装费用。这种形式的系统已成功运用在多个商用建筑中。冷却塔补偿系统冷却塔辅助冷却复合地源热泵系统14太阳能辅助加热复合地源热泵系统太阳能辅助系统在北方，热负荷大于冷负荷，采用太阳能板辅助加热，可以减少地源热泵的埋管，提高热泵效率。夏季还可以提供生活用热水。156.2现场调查与工程勘察6.2.1现场勘察1、土地面积大小和形状；2、已有的和计划建的建筑或构筑物；3、是否有树木和高架设施，如高压电线等；4、自然或人造地表水源的等级和范围；5、交通道路及周边附属建筑及地下服务设施；6、现场已敷设的地下管线布置和废弃系统状况；7、钻孔挖掘所需的电源、水源情况；8、其他可能安装系统的设置位置等。1617地质勘探图6.2.2水文地质调查186.2.3设置测试孔与监测孔?（1）测试孔建筑面积3000m2,使用一个测试孔大型建筑，应采用两个或两个以上的测试孔。测试孔深度比U形埋管深5m.(2)监测孔用来搜集地下数据19实际工程?在测试地块相距50m打了两口试验井，孔径为130mm，打井深度分别为70m，两口实验井制成了单U管换热器，如右图所示。?为了减少连接管道的热损失，对水平段的连接管道都使用了壁厚为20mm的橡塑保温材料,其中2#的水平管有部分未做保温。对2个土壤孔进行了测试。1＃孔PE管按W型布置，2＃孔PE管按单U型布置,如右图所示，2＃孔PE管上绑定了一个热电偶（距地面m处），用以检测温度。两个井埋管的安装数据和基本数据如表所示。20实际工程井1井2垂直埋管段垂直深度/m7070垂直管长度/m280140水平连接管供水管长度/m1432（其中有20m管长没做保温）回水管长度/m1432（其中有15m管长没做保温）PE管品牌金牛金牛外径/mm3232内径/mm2626测试孔基本数据216.2.4土壤热响应实验?测量土壤热物性：土壤的导热系数、热扩散率。?现场测试法现场测试法主要是模拟地源热泵系统的运行工况，对实验孔进行取热、放热测试。并通过分析供回水温度、流量、取热量和放热量等数据，计算现场地质条件下的综合热物性参数，包括岩土体导热系数、密度及比热等，为地源热泵系统的设计、优化和模拟提供数据。22实验原理?电加热法测试现场导热系数，即通过向地下输入恒定的热量，进而检测土壤的温度响应来估算土壤热物性，其原理如图所示。?实验装置主要由电加热器、风冷热泵机组、水泵、分集水器、温度传感器、流量传感器，以及相应监控系统组成。试验采用计算机数据采集，每隔10秒钟采集一次数据，每隔6小时自动存储一次数据。23?由原理图中可以看出，流体经过电加热器加热后，被送入到地下，由于加热后的流体温度高于地下土壤的温度，故热量通过管壁由流体向土壤放热，这样从地下再回到测试仪中的流体的温度就存在一定的变化，这就是地下土壤的温度响应。在仪器与地下管路相连的地方各设置一个温度传感器是必要的，这样就可以采集到管道平均温度的实时数值，这是用来估计大地导热系数的关键数据。24?测试井测试地下土壤温度分布?----3口井温度场测试数据的平均值25地质与温度分布细中砂夹砾石粉细砂夹粉质粘土粉细砂粉质粘土粉质粘土夹粉土粉质粘土夹粉土粉砂导热系数热扩散系数26管材选取：《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）采用聚乙烯管材(PE80/PE100)或聚丁烯管(PB)．管材的公称压力不应小于1.0MPa.传热介质：安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应；较低的凝固点；良好的传热特性，较低的摩擦阻力；易于购买、运输和储藏。6.3地埋管换热器的管材与传热介质27流速大小按以下原则对于内径小于50mm的管子，管内流速应在0.6-1.2m/s对于内径大于50mm的管子．管内流速1.8m/s6.3地埋管换热器的管材与传热介质286.5地埋管换热器的计算?确定地下换热器的换热量?确定换热器的长度?确定地下换热器的钻孔及孔深?地下换热器的阻力计算?地下换热器环路水泵的选择?地下换热器承压能力的校核29冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。夏季向土壤排放的热量：kWCOPQQ)/11(111???kWCOPQQ)/11(222???冬季从土壤吸收的热量：6.5.1地下换热器的换热量的确定其中Q1′——夏季向土壤排放的热量，kWQ1——夏季设计总冷负荷，kWQ2′——冬季从土壤吸收的热量，kWQ2——冬季设计总热负荷，kW30COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。316.5.2地下换热器的设计?这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，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。1、选择热交换器形式埋管布置型式：水平埋管和垂直埋管按埋设深度不同分为:浅埋（≤30m）、中埋(31-80m)和深埋（80m）32垂直式热交换器垂直式热交换器的结构33水平式换热器安装典型34?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，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。351）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。?U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好。U型管的典型环路有3种，其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。362）套管式换热器的外管直径一般为100-200mm，内管直径为15-25mm。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16.7%。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。372、地下换热器的埋管深度1）水平埋管的深度根据国内实际工程经验来看，单层管最佳深度1.2~2.0m，双层管1.6~2.4m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平埋管深度较浅，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。38垂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，对于中央空调系统的制冷机房而言，其中有几点应注意到：①钻井深60m以内的深井的钻机成本少，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1.0MPa）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%。2）垂直埋管的深度39串联方式和并联方式3、地下埋管系统的环路方式在串联系统中，几个井（水平管为管沟）只有一个流通通路；并联方式是一个井（管沟）有一个流通通路，数个井有数个流通通路。40（1）串联方式优点：?①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；?②串联方式一般需要采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于并联方式。缺点：①串联方式需用较大直径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；③安装劳动成本增大；④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。41优点：?①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；?②所需防冻液少；?③安装劳动成本低。缺点：?①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；?②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%），以保证每个并联回路有相同的流量；?③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。（2）并联方式42根据分配管与总管的布置方式，有同程式和异程式系统。同程式系统中，流体流过各埋管