地源熱泵的計(jì)算

1、0 引言 隨著我國(guó)建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)建筑節(jié)能的要求越來(lái)越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主 要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱 泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可 再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng) 1 。冬季通過(guò)吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天 然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱 泵系統(tǒng)和地表水熱 泵系統(tǒng) 3 種形式。土壤源熱 泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地 熱交換器 。地下水熱 泵系統(tǒng)分為開(kāi)式、 閉式兩種： 開(kāi)式是將地下水直接供到熱 泵機(jī)組， 再將井水回灌到地下； 閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二

2、次換熱。地表水熱 泵系統(tǒng)與土壤源熱 泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水 熱交換器 替代土 壤熱交換器 。雖然采用地下水、地表水的熱 泵 系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國(guó) 外（如美國(guó)、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱 泵系統(tǒng)以及我國(guó)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土 壤源熱 泵 系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，本文進(jìn)行了初步探討， 以供參考。1 土壤源熱 泵 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟 （1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相

3、同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，在 此不再贅述?？梢杂上率龉?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。計(jì)算:C 1>2 - & x 1 -22 CORJ/Wff （2）苴中QL 夏季向土壤排啟的曲量，詡QL一夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，ktt老 一一冬季從土壤吸收的熱量蚪老一一冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷”朗C0F1一一設(shè)計(jì)工呪下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)C0F2一一設(shè)計(jì)工呪下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的COP1、COP2。若樣本中無(wú)所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用

4、插值法計(jì)算。（2）地下熱交換器設(shè)計(jì)這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、 管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）2.2選擇管材一般來(lái)講，一旦將換熱器埋入地下后， 基本不可能進(jìn)行維修或更換， 這就要求保證埋入地下 管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬 管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料 管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用 50 年以上；而 PV

5、C 管材由于不易彎曲， 接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。2.3 確定管徑在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求 2 ： （ 1 ）管道要大到足夠保持最小輸送功率； （ 2） 管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器 埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在 1.22m/s以下，對(duì)更大管 徑的管道，管內(nèi)流速控制在 2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH 2 O/100m當(dāng)量長(zhǎng)度以下 1。2.4 確定豎井埋管

6、管長(zhǎng)地下 熱交換器 長(zhǎng)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。文獻(xiàn) 2 介紹了一種計(jì)算方法共分 9個(gè)步驟， 很繁瑣，并且部分 數(shù)據(jù)不易獲得。 在實(shí)際工程中， 可以利用 管材“換熱能力 ”來(lái)計(jì)算管長(zhǎng)。 換熱能力即單位垂直 埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量，一般垂直埋管為70110W/m（井深），或3555W/m（管長(zhǎng)）,水平埋管為2040W/m （管長(zhǎng)）左右3。設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m （管長(zhǎng)），具體計(jì)算公式如下:&X1000一 ®其中Q1豎井埋管總長(zhǎng)pmL 一一夏季向土壤徘放的熱量，詡 分母"35&qu

7、ot;星夏季每m管怪散熱量,叭2.5確定豎井?dāng)?shù)目及間距國(guó)外，豎井深度多數(shù)采用50100m2，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目N = =2H（4）苴中K一一豎井總數(shù)，個(gè)L一一豎井埋昔總枚，mH一一豎井樑度 m另母"2"是考慮到豎井內(nèi)埋管管長(zhǎng)約等于豎井探度的2倍.然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m3，也有實(shí)例中提到 DN25的U型管，其豎井水平間距為 6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為 3m4。若采用串聯(lián)連接方式,可采用三

8、角形布置（詳見(jiàn)2）來(lái)節(jié)約占地面積。2.6計(jì)算管道壓力損失在同程系統(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(jì)算?？刹捎卯?dāng)量長(zhǎng)度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長(zhǎng)度，和管道實(shí)際長(zhǎng)度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長(zhǎng)度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。2.7水泵選型根據(jù)上述計(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水 泵的揚(yáng)程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)程，選擇滿足要求的水 泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)。2.8校核管材承壓能力管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計(jì)豎井灌漿引起的靜壓抵消，管

9、路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和1，即：尹=尹0 +妙十Q”苴中F 一琶踣最大壓力“一一建就物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮?> 珀p一 下埋管中琦必密度諮 一一當(dāng)?shù)刂丶涌谒俣萮地下埋管最低點(diǎn)與閉式循環(huán)系蜿最高點(diǎn)的高度差mph水泵揚(yáng)程/ Fa3其它3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類(lèi)似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)處（一般為1m）設(shè)計(jì)膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。十分龐大，價(jià)格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計(jì)供熱工況下最大吸熱量來(lái)設(shè)計(jì)， 同時(shí)增加輔助換熱裝置 （如 冷卻塔 板式換熱器， 板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路 可以獨(dú)立于 冷卻塔 運(yùn)行） 承擔(dān)供冷工況

10、下超過(guò)地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費(fèi)用，保證地源熱 泵系統(tǒng)具有更大的市場(chǎng)前景，尤其適用于改造工程1 。4 設(shè)計(jì)舉例4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積 212m2 。4.1.1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室外干球溫度 tw = 34C,濕球溫度ts= 28.2C冬季室外干球溫度tw = -4 C,相對(duì)濕度75 %4.1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn = 27 C,相對(duì)濕度n= 55%冬季室內(nèi)溫度tn = 20 C,相對(duì)濕度n= 45%4.2 計(jì)算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負(fù)荷的計(jì)算方法， 計(jì)算得到各房間冷熱負(fù)荷并選擇 風(fēng)機(jī)盤(pán)管 型號(hào)；考慮房 間共用系數(shù)（取

11、0.8），得到建筑物夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為 24.54kW ，冬季設(shè)計(jì)總熱符負(fù)荷為 16.38k W，選擇 WPWD072型水源熱泵機(jī)組2臺(tái)，本設(shè)計(jì)舉例工況下的COP1 = 3.3, COP2 = 3.7。計(jì)算地下負(fù)荷根據(jù)公式（1 ）、（ 2）計(jì)算得1 1 11 =16.38X1 _ 切取夏季向土壤排放的熱量Q1 /進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。H.951 1(1 1 +=24 54x331.984.4確定管材及埋管管徑選用聚乙烯管材PE63（ SDR11 ），并聯(lián)環(huán)路管徑為 DN20，集管管徑分別為 DN25、DN32、DN40、DN50，如圖1所示。4.5確定豎井埋管管長(zhǎng)根據(jù)公式（3）計(jì)算得*914,_ c/

12、X1000 _ 31.98X1000L =35354.6確定豎井?dāng)?shù)目及間距選取豎井深度50m，根據(jù)公式（4）計(jì)算得9142x50= 9.14圓整后取10個(gè)豎井，豎井間距取 4.5m。4.7計(jì)算地埋管壓力損失參照本文2.6介紹的計(jì)算方法，分別計(jì)算1 2-3-4 5- 6- 7 8 9- 1011 11' 1各管段的壓力損失，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機(jī)組的管路壓力損失，以及熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚(yáng)程為15mH2O。4.8校核管材承壓能力上海夏季大氣壓力p o = 100530 Pa,水的密度 尸1000 kg/m 3,當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g = 9.8 m/s2，高度差h = 50.5 m重力作用靜壓 p gh= 494900 Pa水泵揚(yáng)程一半 0.5 ph 7.5 mH2O = 73529 Pa因此，管路最大壓力p = p o+ p gh 0.5 ph 668959 Pa (約 0.7Mpa )聚乙烯PE63 (SDR11)額定承壓能力為1.0MPa,管材滿足設(shè)計(jì)要求。5結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)長(zhǎng)江流域及其周?chē)貐^(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素(如地下熱交換器的傳熱強(qiáng)化、土壤性質(zhì)等)的研究還很有限，設(shè)計(jì)時(shí)大致可以遵循以下原則:（1）若建筑物周?chē)衫玫乇砻娣e充足， 應(yīng)