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土壤源熱泵係統設計方法步驟

更新时间:2019-11-10 13:58人气:2278

編者按:本文首要先容了土壤源熱泵係統的設計方法和步驟,重點論述了地下熱交換器的設計過程。並舉例加以說明。

隨著我國建築業持續發展,對建築節能的要求愈來愈高 ,而供熱係統和空調係統是建築能耗的首要構成部分,是以,想法減小這兩部分能耗意義非常明顯。地源熱泵供熱空調係統是一種使用可再生能源的高效節能 、環保型的係統 <1>。冬季通過吸收大地的能量,包括土壤、井水、湖泊等自然能源,向建築物供熱;夏季向大地開釋熱量,給建築物供冷。相應地,地源熱泵係統分土壤源熱泵係統、地下水熱泵係統和地表水熱泵係統3種形式。

土壤源熱泵係統的核心是土壤耦合地熱交換器。

地下水熱泵係統分為開式 、閉式兩種:開式是將地下水直接供到熱泵機組,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。

地表水熱泵係統與土壤源熱泵係統相似,用潛伏水下並聯的塑料管構成的地下水熱交換器替換土壤熱交換器。

固然采用地下水、地表水的熱泵係統的換熱性能好 ,能耗低,性能係數高於土壤源熱泵,但由於地下水、地表水並非到處可得,且水質也不一定能滿足要求,所以其使用範圍受到一定限製。國外(如美國、歐洲)首要研究和利用的地源熱泵係統和我國理論研究和實驗研究的重點均是土壤源熱泵係統。目前缺乏係統設計數據和較具體的設計指導,本文進行了初步探討,以供參考。

1 土壤源熱泵係統設計的首要步驟

( 1)建築物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算

建築物冷熱負荷計算與常規空調係統冷熱負荷計算方法相同,可參考有關空調係統設計手冊,在此不再贅述。

冬夏季地下換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>計算:

kW (1)kW (2)

其中 Q1' ——夏季向土壤排放的熱量,kW

Q1——夏季設計總冷負荷,kW

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量,kW

Q2——冬季設計總熱負荷,kW

COP1——設計工況下水源熱泵機組的製冷係數

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱係數

一般地,水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的製冷量、製熱量和製冷係數、供熱係數,計算時應從樣本當選用設計工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設計工況,可以采用插值法計算。

( 2)地下熱交換器設計

這部分是土壤源熱泵係統設計的核心內容,首要包括地下熱交換器形式及管材選擇,管徑、管長及豎井數目、間距確定,管道阻力計算及水泵選型等 。(鄙人文將具體敘述) 編者按:本文首要先容了土壤源熱泵係統的設計方法和步驟,重點論述了地下熱交換器的設計過程。並舉例加以說明。

( 3)其它

2 地下熱交換器設計

2.1 選擇熱交換器形式

2.1.1 水平(臥式)或垂直(立式)

在現場勘測結果的基礎上,考慮現場可用地表麵積、當地土壤類型和鑽孔用度,確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管,可采用人工挖掘,初投資一般會便宜些,但它的換熱性能比豎埋管小很多 <3>,並且往往受可利用土地麵積的限製,所以在實際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。

根據埋管方式不同,垂直埋管大致有 3種形式:(1)U型管(2)套管型(3)單管型(詳見<2>)。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用範圍受水文地質條件的限製。U型管利用最多,管徑一般在50mm以下 ,埋管越深,換熱性能越好,資料表明<4> :最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環路有3種(詳見<1>),其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。

2.1.2 串聯或並聯

地下熱交換器中流體活動的回路形式有串聯和並聯兩種,串聯係統管徑較大,管道用度較高,並且長度壓降特性限製了係統能力。並聯係統管徑較小,管道用度較低 ,且經常布置成同程式,當每個並聯環路之間流量平衡時,其換熱量相同,其壓降特性有益於進步係統能力。是以,實際工程一般都采用並聯同程式。結合上文,即常采用單 U型管並聯同程的熱交換器形式 。

2.2 選擇管材

一般來講,一旦將換熱器埋進地下後,基本不可能進行維修或更換,這就要求保證埋進地下管材的化學性質穩定並且耐腐蝕。常規空調係統中使用的金屬管材在這方麵存在嚴重不足,且需要埋進地下的管道的數目較多,應當優先考慮使用價格較低的管材。所以,土壤源熱泵係統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外形,可以保證使用50年以上;而PVC管材由於不易彎曲,接頭處耐壓能力差,輕易導致泄漏,是以,不推薦用於地下埋管係統。

2.3 確定管徑

在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求 <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保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然 ,上述兩個要求相互矛盾,需要綜合考慮。一般並聯環路用小管徑 ,集管用大管徑,地下熱交換器埋管常用管徑有20mm 、25mm、32mm、40mm、50mm,管內流速控製在1.22m/s以下,對更大管徑的管道,管內流速控製在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控製在4mH2O/100m當量長度以下<1> 。

2.4 確定豎井埋管管長

地下熱交換器長度的確定除了已確定的係統布置和管材外,還需要有當地的土壤技術資料,如地下溫度、傳熱係數等。編者按:本文首要先容了土壤源熱泵係統的設計方法和步驟,重點論述了地下熱交換器的設計過程。並舉例加以說明。

文獻 <2>先容了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣,並且部分數據不易獲得。在實際工程中,可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量,一般垂直埋管為70~110W/m(井深),或35~55W/m(管長) ,水平埋管為20~40W/m(管長)擺布<3>。

設計時可取換熱能力的下限值,即35W/m(管長) ,具體計算公式如下:

(3) 其中 Q1'——豎井埋管總長,m

L ——夏季向土壤排放的熱量,kW

分母“35”是夏季每m管長散熱量,W/m

2.5 確定豎井數目及間距

國外,豎井深度多數采用 50~100m<2>,設計者可以在此範圍內選擇一個豎井深度H,代進下式計算豎井數目:

(4) 其中 N——豎井總數 ,個

L——豎井埋管總長,m

H——豎井深度,m

分母“2”是考慮到豎井內埋管管長約即是豎井深度的2倍 。

然後對計算結果進行圓整,若計算結果偏大,可以增加豎井深度,但不能太深,否則鑽孔和安裝本錢大大增加。

關於豎井間距有資料指出: U型管豎井的水平間距一般為4.5m<3>,也有實例中提到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3m<4>。若采用串聯連接方式,可采用三角形布置(詳見<2>)來節約占地麵積。

2.6 計算管道壓力損失

在同程係統中,選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環路作為最不利環路進行阻力計算 。可采用當量長度法,將局部阻力件轉換成當量長度,和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量度 ,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

根據上述計算最不利環路所得的管道壓力損失,再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失 ,確定水泵的揚程 ,需考慮一定的安全裕量 。根據係統總流量和水泵揚程,選擇滿足要求的水泵型號及台數。

2.8 校核管材承壓能力

管路最大壓力應小於管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引發的靜壓抵消,管路所需承受的最大壓力即是大氣壓力、重力感化靜壓和水泵揚程一半的總和 <1>,即:

其中p ——管路最大壓力,Pa 編者按:本文首要先容了土壤源熱泵係統的設計方法和步驟,重點論述了地下熱交換器的設計過程。並舉例加以說明。

p0——建築物所在確當地大氣壓,Pa

ρ——地下埋管中流體密度,kg/m3

g ——當地重力加速度,m/s2

h——地下埋管最低點與閉式循環係統最高點的高度差,m

ρh——水泵揚程,Pa

3 其它

3.1 與常規空調係統類似,需在高於閉式循環係統最高點處(一般為1m)設計膨脹水箱或膨脹罐,放氣閥等附件 。

3.2 在某些商用或公用建築物的地源熱泵係統中,係統的供冷量遠大於供熱量,導致地下熱交換器十分龐大,價格昂貴,為節約投資或受可用地麵積限製,地下埋管可以按照設計供熱工況下最大吸熱量來設計,同時增加輔助換熱裝配(如冷卻塔+板式換熱器,板式換熱器首要是使建築物內環路可以獨立於冷卻塔運行)承擔供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝用度,保證地源熱泵係統具有更大的市場遠景,特別適用於改造工程<1>。

4 設計舉例

4.1 設計參數

上海某複式室第空調麵積 212m2。

4.1.1 室外設計參數

夏季室外幹球溫度 tw=34℃, 濕球溫度ts=28.2℃

冬季室外幹球溫度 tw=-4℃, 相對濕度φ=75%

4.1.2 室內設計參數

夏季室內溫度 tn=27℃, 相對濕度φn=55%

冬季室內溫度 tn=20℃, 相對濕度φn=45%

4.2 計算空調負荷及選擇首要設備

參考常規空調建築物冷熱負荷的計算方法,計算得到各房間冷熱負荷並選擇風機盤管型號;考慮房間共用係數(取 0.8),得到建築物夏季設計總冷負荷為24.54kW,冬季設計總熱符負荷為16.38kW,選擇WPWD072型水源熱泵機組2台,1頁

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