第6章--土壤源热泵系统设计

第6章土壤源热泵系统设计第6章土壤源热泵系统设计6.1土壤源热泵系统的特点、形式和结构6.2土壤换热器的传热分析6.3土壤换热器设计计算6.4土壤换热器管材与循环介质6.5土壤换热器的施工第6章土壤源热泵系统设计6.1土壤源热泵系统的特点、形式和结构6.1.1土壤源热泵系统的特点6.1.2土壤源热泵系统的形式与结构返回首页第6章土壤源热泵系统设计6.1.1土壤源热泵系统的特点土壤源热泵系统以大地土壤作为热源或热汇，被称之为21世纪最具发展前途的供暖空调系统之一。系统主要由土壤热交换器系统、水源热泵机组、建筑物空调系统三部分组成，分别对应三个不同的环路。第6章土壤源热泵系统设计土壤源热泵的主要技术优势:地下土壤温度一年四季相对稳定（约为12～20℃），冬季比外界环境空气温度高，夏季比环境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，土壤的这种温度特性使得土壤源热泵比传统空调系统运行效率高出约20～50%，因此节能效果明显。土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出的能量可分别在夏、冬季得到自然补偿，从而实现了冬、夏能量的互补性。第6章土壤源热泵系统设计土壤源热泵的主要技术优势:当室外气温处于极端状态时，用户对冷量或热量的需求一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，从而在耗电量相同的条件下，可以保持夏季的供冷量或冬季的供热量。土壤热交换器无需除霜，没有融霜除霜的能耗损失。第6章土壤源热泵系统设计土壤源热泵的主要技术优势:地下热交换器在地下静态的吸、放热，减小了土壤源热泵系统对地面空气的热、噪音污染。运行费用低。据美国国家环保署EPA估计，设计安装良好的土壤源热泵系统，可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。第6章土壤源热泵系统设计从目前国内外的研究及实际使用情况来看，土壤源热泵的缺点主要表现在如下几个方面：土壤的导热系数小而使土壤热交换器的单位管长放热量仅为20～40W/m，一般为25W/m左右。因此，当换热量较大时，土壤热交换器的占地面积较大。土壤热交换器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。初投资较高，仅土壤热交换器的投资约占系统投资的20～30%。第6章土壤源热泵系统设计6.1.2土壤源热泵系统的形式与结构依据制冷剂管路与土壤换热方式的不同：间接式土壤源热泵系统直接膨胀式土壤源热泵系统间接式土壤源热泵系统，根据热交换器布置形式:水平埋管土壤源热泵系统垂直埋管土壤源热泵系统第6章土壤源热泵系统设计水平埋管方式的优点是在浅层软土地区造价较低，但传热性能受到外界空调季节气候一定程度的影响，而且占地面积较大。第6章土壤源热泵系统设计垂直土壤热交换器具有占地少、工作性能稳定等优点，已成为工程应用中的主导形式。第6章土壤源热泵系统设计6.2土壤换热器的传热分析6.2.1土壤换热器传热分析模型6.2.2土壤换热器传热过程分析6.2.3土壤换热器传热计算方法6.2.4土壤换热器传热的主要影响因素返回首页第6章土壤源热泵系统设计6.2.1土壤换热器传热分析模型土壤热交换器的传热分析目的:保证在土壤源热泵整个生命周期中循环介质的温度都在设定的范围之内，根据这一目标选择土壤热交换器布置形式并确定埋管的总长度。在给定土壤热交换器布置形式和长度以及负荷的情况下，计算循环介质温度随时间的变化，并进而确定系统的性能系数和能耗，以便对系统进行能耗分析。第6章土壤源热泵系统设计关于土壤热交换器的传热问题分析求解，迄今为止国际上还没有普遍公认的唯一方法。现有的传热模型大体上可分为两大类:以热阻概念为基础的半经验性的解析解模型以计算传热学为基础的数值解模型第6章土壤源热泵系统设计第一类模型通常都是以钻井壁为界将土壤热交换器传热区域分为两个区域。在钻井外部，由于埋管的深度都远远大于钻井的直径，因而埋管通常被看成是一个线热源或线热汇，这就是无限长线热源模型；或将钻井近似为一无限长的圆柱，在孔壁处有一恒定热流，钻井周围土壤同样被近似为无限大的传热介质，这就是无限长圆柱模型。第6章土壤源热泵系统设计在钻井内部，包括回填材料，管壁和管内循环介质，与钻井外的传热过程相比较，由于其几何尺度和热容量要小得多，而且温度变化较为缓慢，因此在运行数小时后，通常可以按稳态传热过程来考虑其热阻。第6章土壤源热泵系统设计第二类方法以计算传热学为基础的数值解法传热模型，多采用有限元、有限差分法或有限体积法求解地下的温度响应并进行传热分析。第6章土壤源热泵系统设计6.2.2土壤换热器传热过程分析一般来说，土壤热交换器与周围土壤中的传热过程实际上是一个通过多层介质的传热过程，具体由6个换热过程组成，从管内流体到周围土壤依次为：地埋管内对流换热过程、地埋管管壁的导热过程、地埋管外壁面与回填物之间的传热过程、回填物内部的导热过程、回填物与孔壁的传热过程、土壤的导热过程。这些传热过程是一个受到地下水渗流特性、土壤热物性、埋管几何结构及地埋管换热负荷变化等诸多因素影响的复杂过程。第6章土壤源热泵系统设计6.2.3土壤换热器传热计算方法1.土壤热交换器传热解析法分析在以半经验公式为主的这一类方法中，以国际地源热泵协会(IGSHPA)和美国供热制冷与空调工程师协会(ASHRAE)曾共同推荐的IGSHPA模型方法的影响最大，我国2005年制定的《地源热泵系统工程技术规范》中土壤热交换器的计算方法基本参考了此种方法。第6章土壤源热泵系统设计6.2.3土壤换热器传热计算方法2.土壤热交换器的数值解法分析半经验公式由于具有一定程度的简化，所获得的计算结果精度不高。第6章土壤源热泵系统设计6.2.4土壤换热器传热的主要影响因素主要因素：土壤热交换器结构土壤的传热性能土壤热交换器换热负荷第6章土壤源热泵系统设计6.3土壤换热器设计计算6.3.1土壤换热器的计算特点6.3.2土壤换热器的设计步骤6.3.3土壤换热器的换热负荷计算6.3.4土壤换热器的容量计算6.3.5土壤换热器系统的水力计算返回首页第6章土壤源热泵系统设计6.3.1土壤换热器的计算特点土壤热交换器是埋管中的流体与周围土壤间的换热。是典型非稳态的过程。换热涉及的因素很多，既有时间上的长短不同，空间上区域变化很大，又有热交换器形式多种多样、地层结构及其热物性千差万别，还有热交换器的负荷随时间变化、多组管道之间的相互影响、土壤冻融的影响、地下水渗流的影响等。第6章土壤源热泵系统设计6.3.1土壤换热器的计算特点土壤热交换器的传热计算与一般换热器相比也有着显著的不同：土壤热交换器的传热系数和传热温差（循环介质的平均温度与其周围土壤温度的差）是随时间和空间而变化的；热交换器的结构布置和换热负荷对热交换能力有明显影响；第6章土壤源热泵系统设计6.3.2土壤换热器的设计步骤土壤源热泵系统的土壤热交换器设计步骤如下：确定建筑物的供热、制冷和热水供应（如果选用的话）的负荷，并根据所选择的建筑空调系统的特点确定热泵的型式和容量。确定土壤热交换器的布置形式。主要包括水平埋管、竖直埋管闭式循环以及串联、并联的管路连接形式。第6章土壤源热泵系统设计6.3.2土壤换热器的设计步骤选择热交换器管材。如果设计工况中热泵主机蒸发器出口的流体温度低于0℃，应选用适当的防冻液作为循环介质。合理设计分、集水器。根据所选择的土壤热交换器的类型及布置形式，设计计算土壤热交换器的管长。第6章土壤源热泵系统设计6.3.3土壤换热器的换热负荷计算第6章土壤源热泵系统设计6.3.4土壤换热器的容量计算土壤热交换器容量计算的基本任务：在给定土壤热交换器和热泵的参数以及运行条件的情况下，确定土壤热交换器循环介质的进出口温度，以保证系统能在合理工况下工作；根据用户确定的循环介质工作温度的上下限确定土壤热交换器的长度。第6章土壤源热泵系统设计6.3.5土壤换热器系统的水力计算第6章土壤源热泵系统设计6.4土壤换热器管材与循环介质6.4.1土壤换热器管材6.4.2管材规格和压力级别6.4.3土壤换热器循环介质返回首页第6章土壤源热泵系统设计6.4.1土壤换热器管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本上不可能进行维修或更换，因此土壤热交换器应采用化学稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE80或PEl00)或聚丁烯管(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。第6章土壤源热泵系统设计6.4.2管材规格和压力级别热交换器质量应符合国家现行标准中的各项规定。聚乙烯管应符合《给水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T13663—2000)的要求。聚丁烯管应符合《冷热水用聚丁烯(PB)管道系统》(GB/T19473.2—2004)的要求。第6章土壤源热泵系统设计6.4.2管材规格和压力级别第6章土壤源热泵系统设计6.4.2管材规格和压力级别第6章土壤源热泵系统设计6.4.3土壤换热器循环介质土壤热交换器循环介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其它介质：①安全，腐蚀性弱，与热交换器管材无化学反应；②较低的凝固点；③良好的传热特性，较低的摩擦阻力；④易于购买、运输和储藏。第6章土壤源热泵系统设计6.4.3土壤换热器循环介质在循环介质(水)有可能冻结的场合，循环介质应添加防冻液。热交换器系统的金属部件应与防冻液兼容。选择防冻液时，应同时考虑防冻液对管道、管件的腐蚀性，防冻液的安全性、经济性及其对换热的影响。第6章土壤源热泵系统设计6.5土壤换热器的施工6.5.1施工前准备工作6.5.2土壤换热器管道连接6.5.3水平埋管土壤换热器埋管安装6.5.4垂直式U形土壤换热器施工6.5.5土壤换热器系统的检验与水压试验返回首页第6章土壤源热泵系统设计6.5.1施工前准备工作1.现场勘察2.场地规划3.水文地质调查4.测试井与监测井第6章土壤源热泵系统设计6.5.2土壤换热器管道连接土壤热交换器如有接头应采用相同材料或工程塑料制造的管件熔接，不应采用金属管件，地下检查井内等可维护处除外。所有地下热交换器管道接头的连接方法应使用电熔或热熔连接，而不得使用机械连接。第6章土壤源热泵系统设计6.5.2土壤换热器管道连接所谓电熔连接，就是将电熔管件套在管材、管件上，预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电发热，产生的热能加热、熔化电熔管件的内表面和与之承插的管件外表面，使之融为一体。公称直径小于63mm的管材推荐采用电熔连接。第6章土壤源热泵系统设计6.5.2土壤换热器管道连接热熔对接是将待接聚乙烯管段界面，利用加热板加热熔融后相互对接融合，经冷却固定而连接在一起的方法。通常采用热熔对焊机来加热管端，使其熔化，迅速将其贴合，保持有一定的压力，经冷却达到熔接的目的。第6章土壤源热泵系统设计6.5.3水平埋管土壤换热器埋管安装1.埋管安装要点2.管道安装步骤第6章土壤源热泵系统设计6.5.4垂直式U形土壤换热器施工1.放线、钻井2.U形管现场连接组装、试压与清洗3.下管与二次试压4.回填封井与土壤热物性测定5.水平集管连接第6章土壤源热泵系统设计6.5.5土壤换热器系统的检验与水压试验1.土壤热交换器系统的检验2.土壤热交换器水压试验