土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法步驟

土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法步驟摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，重點(diǎn)論述了地下熱交換器的設(shè)計(jì)過程。并舉例加以說明。關(guān)鍵字：土壤源熱泵系統(tǒng)地下熱交換器隨著我國(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?zé)峤粨Q器。地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開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。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[2]計(jì)算：kW（1）kW（2）其中Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kWQ1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kWQ2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kWQ2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(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。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。橫（煎份2欠）地下熱惜交換器設(shè)即計(jì)樓濾這部分是博土壤源熱融泵系統(tǒng)設(shè)崗計(jì)的核心溫內(nèi)容，主根要包括地貧下熱交換杜器形式及富管材選擇異，管徑、況管長(zhǎng)及豎燙井?dāng)?shù)目、羽間距確定機(jī)，管道阻辭力計(jì)算及丸水泵選型饞等。（在競(jìng)下文將具炒體敘述涌）屆削（濃琴3福）其真它挨優(yōu)2莖毅地下熱交鐮換器設(shè)來計(jì)勾董2.1卡波選擇熱交凍換器形明式炒賤2.1.泛1趟狗水平（臥槳式）或垂張直（立式俘）嫩科在現(xiàn)場(chǎng)勘么測(cè)結(jié)果的加基礎(chǔ)上，帝考慮現(xiàn)場(chǎng)慮可用地表兔面積、當(dāng)話地土壤類悶型以及鉆掏孔費(fèi)用，妖確定熱交赴換器采用醋垂直豎井田布置或水館平布置方煤式。盡管誠(chéng)水平布置戲通常是淺圍層埋管，鍛可采用人煮工挖掘，咽初投資一摸般會(huì)便宜適些，但它通的換熱性泳能比豎埋衫管小很委多鹽[3趨]輩，并且往消往受可利滲用土地面臂積的限制班，所以在讀實(shí)際工程者中，一般塌采用垂直削埋管布置剖方式賓。咽綱根據(jù)埋管悶方式不同苗，垂直埋塑管大致尤有虜碧3或種形式：陸（鳴1北）餐U丟型管柜（幻2嶼）套管型均（類3劉）單管型潑（詳護(hù)見撥[2旺]驕）。套管逗型的內(nèi)、預(yù)外管中流崗體熱交換她時(shí)存在熱涂損失。單患管型的使療用范圍受吩水文地質(zhì)魂條件的限欲制夠。防U蚊型管應(yīng)用類最多，管淚徑一般榜在骨50m府m法以下，埋旅管越深，典換熱性能雖越好，資駱料表像明循[4辯]則：最深哪的討U妻型管埋深妨已毛達(dá)哈180腐m刷。幫U鄰型管的典府型環(huán)路章有蛇3丈種（詳貫見故[1符]塊），其中辭使用最普權(quán)遍的是每佳個(gè)豎井中久布置燦單隱U煉型管釣。憤拌2.1.赴2約搖串聯(lián)或并復(fù)聯(lián)獲翅地下熱交因換器中流稱體流動(dòng)的滑回路形式行有串聯(lián)和報(bào)并聯(lián)兩種術(shù)，串聯(lián)系庫(kù)統(tǒng)管徑較號(hào)大，管道含費(fèi)用較高襲，并且長(zhǎng)挺度壓降特臘性限制了葬系統(tǒng)能力拍。并聯(lián)系拆統(tǒng)管徑較榴小，管道站費(fèi)用較低飛，且常常節(jié)布置成同嚴(yán)程式，當(dāng)菌每個(gè)并聯(lián)烤環(huán)路之間濫流量平衡宋時(shí)，其換玩熱量相同沾，其壓降酷特性有利負(fù)于提高系跟統(tǒng)能力。捎因此，實(shí)飾際工程一奪般都采用荒并聯(lián)同程忍式。結(jié)合錫上文，即望常采用滅單負(fù)舊U憂型管并聯(lián)景同程的熱騰交換器形簽式高。倡值2.2個(gè)榜選擇管因材嗓美一般來講期，一旦將墓換熱器埋源入地下后蝶，基本不詞可能進(jìn)行搶維修或更處換，這就族要求保證革埋入地下睬管材的化樓學(xué)性質(zhì)穩(wěn)塌定并且耐持腐蝕。常廚規(guī)空調(diào)系番統(tǒng)中使用晚的金屬管扭材在這方南面存在嚴(yán)吩重不足，以且需要埋速入地下的階管道的數(shù)預(yù)量較多，槳應(yīng)該優(yōu)先后考慮使用魂價(jià)格較低患的管材。錦所以，土牙壤源熱泵僻系統(tǒng)中一皮般采用塑稀料管材。獸目前最常中用的是聚離乙烯即（逢P(guān)市E嗽）和聚丁非烯市（俗P沙B枯）管材，吃它們可以充彎曲或熱隙熔形成更韻牢固的形量狀，可以忌保證使萍用萍5脆0炮年以上；結(jié)而宗PV伍C澆管材由于隊(duì)不易彎曲拋，接頭處栽耐壓能力婦差，容易辰導(dǎo)致泄漏鹿，因此，抬不推薦用丸于地下埋岡管系統(tǒng)汽。排免2.3夠耽確定管堡徑廚棟在實(shí)際工序程中確定恢管徑必須絞滿足兩個(gè)偵要存求俘[2奏]緒：亞（船1例）管道要領(lǐng)大到足夠輕保持最小朱輸送功率吸；柴（欠2網(wǎng)）管道要吹小到足夠盞使管道內(nèi)看保持紊流爸以保證流夏體與管道被內(nèi)壁之間提的傳熱。登顯然，上扇述兩個(gè)要箱求相互矛葡盾，需要銹綜合考慮趙。一般并萍聯(lián)環(huán)路用權(quán)小管徑，膨集管用大扯管徑，地槍下熱交換雹器埋管常漠用管徑膜有蜻20m斧m嘴、甲25m糞m式、心32m然m呢、斥40m叔m愧、挺50m哨m靜，管內(nèi)流奏速控制復(fù)在跨1.22織m/角s玉以居下集,康對(duì)更大管形徑的管道娃，管內(nèi)流牲速控制椒在災(zāi)2.44餃m/盯s播以下或一像般把各管斃段壓力損填失控制胃在舞4m跟H輕２務(wù)O/10仆0摧m失當(dāng)量長(zhǎng)度蔥以急下弓[1壤]米。境協(xié)2.4捏牙確定豎井于埋管管碧長(zhǎng)落四地下熱交錫換器長(zhǎng)度雀的確定除篩了已確定霧的系統(tǒng)布暢置和管材板外，還需辟要有當(dāng)?shù)亓５耐寥兰即敌g(shù)資料，更如地下溫盲度、傳熱膝系數(shù)等。井文喚獻(xiàn)創(chuàng)[2困]糞介紹了一徐種計(jì)算方茂法共太分巷9致個(gè)步池驟轟,新位很繁瑣，洪并且部分啊數(shù)據(jù)不易姥獲得。在齒實(shí)際工程辛中，可以配利用管的材趣“墳換熱能非力憂”姜來計(jì)算管明長(zhǎng)。換熱童能力即單候位垂直埋凍管深度或參單位管長(zhǎng)咳的換熱量裳，一般垂型直埋管拜為棟7女0藝～習(xí)110W肉/m事(廈井止深市)勾，頭或京3犁5血～迷55W/飛m捧(償管抽長(zhǎng)炒)獨(dú)，水平埋允管宇為角2緞0散～劇40W/答m咳（管長(zhǎng)）副左來右繭[3沈]邀。梳裝設(shè)計(jì)時(shí)可渣取換熱能訴力的下限都值，竊即芽35W/穩(wěn)m性（管長(zhǎng)）削，具體計(jì)課算公式如督下慘：泥迅（副3等）饑兇其講中潑Q鍬1借＇齊—仇—夢(mèng)豎井埋管毫總長(zhǎng)貸，逐m密L恭債—羅—笨夏季向土炭壤排放的洞熱量藝，殿kW徒分慨母紐“聚3房5漫”腔是夏季錄每暑m繡管長(zhǎng)散熱彈量散，仰W/m魔2.5仰皂確定豎井閥數(shù)目及間援距名釣國(guó)外，豎糠井深度多臣數(shù)采演用肅5近0澆～磨100m遭[2鏡]砌，設(shè)計(jì)者幼可以在此稅范圍內(nèi)選仆擇一個(gè)豎跡井深拖度猛H籠，代入下悟式計(jì)算豎頑井?dāng)?shù)腔目繪:膀（飛4倚）好草其稼中績(jī)騙N棄—味—念豎井總數(shù)滿，堆個(gè)訓(xùn)椅L慎—啞—撐豎井埋管化總長(zhǎng)絲，頓m羞H裳—板—巷豎井深度即，耳m這分課母氣“僑2茂”嬸是考慮到矮豎井內(nèi)埋笛管管長(zhǎng)約迅等于豎井川深度切的垃2市倍盆。競(jìng)澡然后對(duì)計(jì)檔算結(jié)果進(jìn)叨行圓整，浪若計(jì)算結(jié)覆果偏大，徑可以增加團(tuán)豎井深度熄，但不能勿太深，否濾則鉆孔和典安裝成本伴大大增加袍。緣詳關(guān)于豎井諒間距有資廈料指出把：渡卡U慚型管豎井印的水平間覺距一般臂為不4.5m樹[3卷]察，也有實(shí)閑例中提紙到俗DN2廊5敵的蜻U依型管，其范豎井水平偏間距鳴為懸6頓m開，膨而池DN2逢0飲的侵U束型管，其貫豎井水平捎間距唯為固3m[4崇]批。若采用臘串聯(lián)連接鉛方式，可會(huì)采用三角耳形布置（蓬詳財(cái)見形[2座]紹）來節(jié)約倉(cāng)占地面積挪。乳伶2.6驚野計(jì)算管道甲壓力損緣失抗煉在同程系批統(tǒng)中，選風(fēng)擇壓力損情失最大的區(qū)熱泵機(jī)組潔所在環(huán)路左作為最不喬利環(huán)路進(jìn)截行阻力計(jì)鳳算。可采捆用當(dāng)量長(zhǎng)咽度法，將嬸局部阻力撕件轉(zhuǎn)換成嚴(yán)當(dāng)量長(zhǎng)度儀，和管道仔實(shí)際長(zhǎng)度燦相加得到星各不同管期徑管段的瓦總當(dāng)量度臟，再乘以妹不同流量公、不同管壞徑管段思每壞100接m輩管道的壓賞降，將所夾有管段壓解降相加，鬼得出總阻化力治。古深2.7攝而水泵選蝶型鳴帶根據(jù)上述域計(jì)算最不秘利環(huán)路所高得的管道鑼壓力損失嘆，再加上抽熱泵機(jī)組井、平衡閥棄和其他設(shè)輕備元件的竄壓力損失爺，確定水悅泵的揚(yáng)程建，需考慮圓一定的安滅全裕量。湯根據(jù)系統(tǒng)暫總流量和呈水泵揚(yáng)程粘，選擇滿亡足要求的昌水泵型號(hào)樓及臺(tái)數(shù)幻。阻事２集.8弱市校核管材扯承壓能嚼力厚感管路最大款壓力應(yīng)小篩于管材的熄承壓能力歸。若不計(jì)勸豎井灌漿例引起的靜罩壓抵消，付管路所需鉗承受的最舞大壓力等躁于大氣壓遵力、重力扣作用靜壓毯和水泵揚(yáng)渣程一半的皆總炊和申[1后]逼，即奇：終鈔其中院ｐ蜂肺—娛—采管路最大環(huán)壓力穗，皂Pa每餅ｐ基０區(qū)—清—既建筑物所群在的當(dāng)?shù)仃J大氣壓挪，冤Pa糾ρ—偵—謝地下埋管逮中流體密值度祥，頸kg/m凍3敏g幼思—祥—迷當(dāng)?shù)刂亓﹀a加速度顧，仁m/s2窩揉h倘—宵—著地下埋管蕩最低點(diǎn)與織閉式循環(huán)棒系統(tǒng)最高仙點(diǎn)的高度遭差順，煌m鑰ρ坡h受—婦—通水泵揚(yáng)程副，貸Pa雙3妹尊其虧它穴蛾3.1址披與常規(guī)空竿調(diào)系統(tǒng)類府似，需在衰高于閉式舍循環(huán)系統(tǒng)鋼最高點(diǎn)處踩（一般近為灣1拖m族）設(shè)計(jì)膨依脹水箱或需膨脹罐，燒放氣閥等江附件艙。色害3.2穩(wěn)朵在某些商彎用或公用捷建筑物的冠地源熱泵滔系統(tǒng)中，饅系統(tǒng)的供解冷量遠(yuǎn)大慧于供熱量也，導(dǎo)致地術(shù)下熱交換嗎器十分龐歪大，價(jià)格貞昂貴，為恒節(jié)約投資蜂或受可用類地面積限灶制，地下僅埋管可以丈按照設(shè)計(jì)挽供熱工況憤下最大吸英熱量來設(shè)醋計(jì)，同時(shí)逼增加輔助葛換熱裝置鐮（如冷卻疑塔＋板式梁換熱器，儲(chǔ)板式換熱忙器主要是粗使建筑物杜內(nèi)環(huán)路可漏以獨(dú)立于君冷卻塔運(yùn)蠟行）承擔(dān)帖供冷工況濁下超過地椅下埋管換轎熱能力的耍那部分散清熱量。該春方法可以省降低安裝毀費(fèi)用，保臺(tái)證地源熱侄泵系統(tǒng)具齊有更大的如市場(chǎng)前景順，尤其適京用于改造凱工光程候[1曬]聲。用悼4逝沖設(shè)計(jì)舉炒例服腐4.1其頓設(shè)計(jì)參污數(shù)含貧上海某復(fù)咳式住宅空上調(diào)面促積眉212要m后2黨。夾攜4.1.暖1創(chuàng)談室外設(shè)計(jì)由參界數(shù)乒壟夏季室外蜂干球溫列度奧t礙w暴＝岔3機(jī)4槽℃必,唐筍濕球溫榜度嘉t件s毒＝寧28.極2仔℃露便冬季室外聲干球溫巖度令t含w新＝輛-萬4毫℃妖,妄堤相對(duì)濕逼度屯φ能＝從7軟5豎％腳斗4.1.魚2撇謠室內(nèi)設(shè)計(jì)員參探數(shù)衡半夏季室內(nèi)嫁溫縱度康t師n侄＝法2駕7忙℃清,炮朽相對(duì)濕前度牢φ洞n伴＝敵5戲5圣％果婦冬季室內(nèi)仇溫趕度盞t展n預(yù)＝倍2潤(rùn)0掛℃航,界悔相對(duì)濕滔度唐φ較n待＝蒙4于5楊％聽最4.2名些計(jì)算空調(diào)著負(fù)荷及選搭擇主要設(shè)各備銀濱參考常規(guī)呢空調(diào)建筑瞧物冷熱負(fù)剖荷的計(jì)算乏方法，計(jì)渡算得到各圣房間冷熱妖負(fù)荷并選拆擇風(fēng)機(jī)盤雞管型號(hào)；版考慮房間磚共用系數(shù)芽（盈取架0.傲8物），得到貫建筑物夏他季設(shè)計(jì)總僵冷負(fù)荷召為識(shí)24.5屋4k蛙W取，冬季設(shè)脈計(jì)總熱符傭負(fù)荷背為東16.3周8k啄W含，選自擇哲WPWD雀07猜2鋒型水源熱澆泵機(jī)陳組慎2濤臺(tái)，本設(shè)碌計(jì)舉例工狐況下腿的調(diào)COP禮1臥＝發(fā)3.寺3鋪，泛COP2寸洗＝蝕3.襖7唉。仙猜4.3煤社計(jì)算地下近負(fù)到荷劈程根據(jù)公式探（謊令1棗）、零（葛2曾）計(jì)算填得涉kWkW探取夏季向歪土壤排放孤的熱虜量揭Q1撲放＇進(jìn)行設(shè)意計(jì)計(jì)算虛。斬4.4嚇旬確定管材覆及埋管管偽徑霧稈選用聚乙妹烯管層材墨PE6尊3煎（稈SDR1烤1健），并聯(lián)屠環(huán)路管徑興為顫DN2虹0亦，集管管扎徑分別姐為陡DN2芬5熟、待DN3授2享、匙DN4譽(yù)0嘆、豎DN5軌0蠻，如秩圖劣1京所示宇。等布4.5乘盛確定豎井朱埋管管計(jì)長(zhǎng)仙震根據(jù)公式赴（鄰福3營(yíng)）計(jì)算貓得繳m賺4.6孝慨確定豎井駐數(shù)目及間忽距也亞選取豎井疲深呈度查50膛m親，根據(jù)公癥式于（焦4違）計(jì)算悶得鄭個(gè)揮圓整后什取具1漏0首個(gè)豎井，筐豎井間距挪取殊4.5木m系。啊臟4.7調(diào)武計(jì)算地埋酸管壓力損仗失棍吩參照本扇文鏈2.威6理介紹的計(jì)裕算方法，岡分別計(jì)弄算粗1嗎－告2紋－獵3鎮(zhèn)－蝕4噸－緩5耐－害6扶－鏟7演－吩8嚴(yán)－脹9-1烤0葡―思1杯1摸―抵1申1夠′承－渡1鳴′載各管段的療壓力損失紋，得到各俯管段總壓翠力損失屆為魄40kP似a讀。再加上葬連接到熱為泵機(jī)組的鑰管路壓力類損失，以訓(xùn)及熱泵機(jī)仙組、平衡書閥和其他年設(shè)備元件勵(lì)的壓力損錫失，所選另水泵揚(yáng)程支為僑15mH粗2鞭O厚。膨裁4.8勵(lì)著校核管材丙承壓能脈力枯朽上海夏季遼大氣壓力各ｐ裝０宜夢(mèng)＝跳100疏530抵P參a疏，水的密黎度減唯ρ贏＝蔑1000幫kg/兔m河3累，分吹當(dāng)?shù)刂亓f加速啞度敵g彩速＝輔9.8秀m/s基2橋，高度屆差穩(wěn)h遵＝歉50.5拾m屯重力作用湖靜鑼壓忌ρ倆g