關于地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設計

胡宜培

摘 要：熱泵能將自然界低溫廢熱轉化成高溫的可再生熱能，能節(jié)約燃料、減少環(huán)境污染。本文主要介紹了地埋管地源熱泵系統(tǒng)，并探討了地埋管地源熱泵設計的關鍵問題。

關鍵詞：地埋管；地源；熱泵；設計

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)簡介

1.1 地埋管地源熱泵涵義

地埋管地源熱泵主要工作原理就是借助水或者包含水的防凍劑在地下的埋管中流動，最終確保系統(tǒng)和土壤相互間的熱傳遞。在寒冷季節(jié)的供熱時，地埋管中流體吸走了地下的熱量，再以系統(tǒng)作為媒介，將熱量帶入室內(nèi)；而在酷暑的季節(jié)制冷時，系統(tǒng)將熱量從室內(nèi)趕走，再以埋管中的流體為媒介把熱量傳至土壤內(nèi)。所以，地埋管地源熱泵系統(tǒng)既維持了地下水地源熱泵系統(tǒng)使用大地進行作業(yè)的作用，又無需抽取地下水來進行熱傳遞。這是一種可以節(jié)約能源的環(huán)境友好型節(jié)能系統(tǒng)。

1.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的組成

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的組成如圖1所示，它的構成主要包括：地能采集系統(tǒng)、水源熱泵機組、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。地能采集系統(tǒng)主要組成元素是地埋管換熱器。水源熱泵機組包括兩種：水/空氣熱泵與水/水熱泵，它主要是把低位熱能轉移到高位熱能的設備。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)就是科學處理室內(nèi)空氣參數(shù)，讓室內(nèi)環(huán)境更好的符合需求，在冬季時為人們提供暖氣，夏季時提供供冷。控制系統(tǒng)就是結合室外環(huán)境的改變適當提升系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)流量，以便符合人們的需求。

圖1地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)就是借助熱泵機組來完成2個耦合：其中之一就是借助水循環(huán)或防凍液實現(xiàn)循環(huán)，最終讓地能采集系統(tǒng)和水源熱泵機組相互間形成耦合關系；另一是空調(diào)系統(tǒng)與熱泵機組之間借助水或空氣循環(huán)實現(xiàn)耦合。通過這2個耦合最終將低位熱能轉向高位熱能。

在寒冷的冬季，開啟水源熱泵系統(tǒng)中的Vl，V2，V3和v4閥門，再關閉其他閥門。借助與水或防凍液水溶液等中間介質(zhì)的循環(huán)，跟土壤實現(xiàn)熱交換，最終吸取土壤中的低位熱量，并將這些熱量送至水源熱泵機組內(nèi)的蒸發(fā)器中，以熱泵技術，把低位熱能轉變成高位熱能，完成建筑的實際供暖。而在炎熱的夏季，開啟水源熱泵機組中的V5，V6，V7和V8閥門，再關閉其他閥門。將蒸發(fā)器中蒸發(fā)出的冷凍水送給用戶，實現(xiàn)室內(nèi)的實際除濕降溫，而冷凝器中的水吸走了冷凝熱量，加熱后的水又借助板式換熱器將熱量傳至地埋管換熱器中的流動水源，最終實現(xiàn)熱量到土壤的傳遞。

1.3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的分類

從地埋管換熱器上來考慮，可地埋管地源熱泵系統(tǒng)注意包括下述2種。

（1）水平埋管系統(tǒng)

這種系統(tǒng)比較適宜用于大面積的地表區(qū)域，并且這種淺層巖土體在溫度與熱物性上不容易受到雨水與埋深的影響。應該將埋管深度控制在1.2到3米之間。埋管形式主要包括水平管換熱器與螺旋管換熱器。這種系統(tǒng)成本少，施工方便，但是換熱器傳熱的效果不好，容易受到地面溫度變化的影響，熱泵在運行時不夠穩(wěn)定，會占據(jù)較大的地域面積。

（2）豎直埋管系統(tǒng)

如果是一些不適合使用水平埋管的地方，應該使用的形式是豎直埋管換熱器，這種形式比較適宜用在埋深10至100米的U形垂直埋管、套管及螺旋管中。這種系統(tǒng)不僅能節(jié)省較多的占地面積，深層土壤中的溫度穩(wěn)定性較強，熱泵能穩(wěn)定的運行，但是初始階段的投資費用比較多，埋管甚至會占到初始投資階段費用的50%。

2 地埋管地源熱泵設計的關鍵問題探討

2.1 土壤熱物性問題

土壤熱物性問題主要包括熱導率與蓄熱性。熱導率主要是指沿法線方向的溫差在1℃左右時，土壤的實際傳遞熱量。蓄熱性主要是指土壤溫度在出現(xiàn)1℃改變時，單位面積中的土壤所能容納的熱量。這時，土壤的熱導率跨度比較大，會處于0.5至2.5W/（m·K）之間，它的具體值會跟土壤含水量和化學成分等因素有密切關系。在進行系統(tǒng)設計時，一定要對當?shù)氐膶嶋H土壤熱導率進行測量，或參考本地水文地質(zhì)部門近期的資料，來明確土壤熱導率。不能因為工程計算中沒有資料可以參考，就使用1.75W/（m·K）的土壤熱導率。因為這無法反映實際管道部位的土壤情況，會引起很大的計算誤差。要是計算不夠準確，就會導致貯熱土壤溫度的不適宜，直接影響地埋管換熱器的傳熱穩(wěn)定性和熱泵機組的實際運行效果。

2.2 地埋管換熱器的熱平衡

應該對地埋管地源熱泵系統(tǒng)實行全年動態(tài)負荷計算，最好是以一年當成最小的計算周期。在這個計算周期中，確保地埋管地源熱泵總釋防熱量跟總吸熱量保持平衡。應該確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量跟建筑設計冷負荷相應，最大吸熱量跟建筑設計熱負荷相應。普遍來說，南方酷熱的天氣中制冷需要冬天制熱大很多的負荷，導致夏季空調(diào)轉向土壤的排熱量遠遠大過冬季供暖所需熱量，導致全年冷熱負荷出現(xiàn)了較大程度的平衡失調(diào)，使得地埋管位置的持續(xù)溫度升高，最終直接影響了地埋管換熱器的換熱性能，大大降低了地埋管換熱系統(tǒng)的運行效率。設計要根據(jù)冬天的實際負荷選用地下?lián)Q熱器，夏季應該借助冷卻塔的設置來補償制冷負荷，可以借助換熱器和冷卻塔把地埋管換熱器中的流體冷卻，確保系統(tǒng)總釋熱量跟總吸熱量保持平衡，再者，還應大大減少地埋管換熱器的面積，以便節(jié)省整個系統(tǒng)的初始資金投入。

2.3 控制地埋管換熱器中的流速

當?shù)刭|(zhì)條件和所用管材相同時，管內(nèi)流體的流動狀態(tài)會直接影響到地埋管換熱器內(nèi)流體和土壤換熱。紊流的傳熱效果要大大好過層流狀態(tài)。應以流動狀態(tài)增加管內(nèi)流速，提高紊流脈動程度，增加地埋管換熱器的換熱效果。對于圓管壓力流，管內(nèi)流體的臨界雷諾數(shù)為2300。所以，選好管材的類型后，應該結合管內(nèi)流體的動力黏度和密度等參數(shù)，對管內(nèi)流體的流動速度進行計算，確保此流速狀態(tài)下，管內(nèi)流體的雷諾數(shù)在2300以上，保證管內(nèi)流體處在紊流狀態(tài)。

2.4 地埋管換熱器的承壓問題

這個問題相當重要，特別是豎直埋管更要做好承壓設計。要驗證系統(tǒng)中最不利點管道的工作壓力，當所選用管材的公稱壓力不能符合系統(tǒng)的工作壓力時，則換用耐壓等級更高的管道或用中間換熱器將地下埋管換熱器與建筑物內(nèi)系統(tǒng)分開。

2.5 埋管深度及數(shù)量優(yōu)化問題

地埋管換熱器埋設的深度與埋設的數(shù)量成反比，確定埋管深度和數(shù)量是設計地埋管換熱器的關鍵，應進行較為嚴格的優(yōu)化。管道埋深首先受埋管區(qū)域的地質(zhì)影響，有些區(qū)域易于成井，如黃粘土，且成井造價低，可適當增加埋深；有的土質(zhì)不易于成井，如巖石、流砂等，且成井造價高。應盡量減少埋深。其次受塑料管道承壓能力的限制，對于PPR塑料管，承壓能力不超過1.6MPa。如果不考慮管內(nèi)流動阻力影響，其最多能承受160MPa的壓力，將補水定壓考慮字啊內(nèi)，埋管深度要在120m左右。確定了管道埋深后，再確定管道的數(shù)量。不可單憑經(jīng)驗就確定下來。

2.6 塑料管熱膨脹及應力消除問題

地埋管換熱器采用塑料管，塑料的穩(wěn)定性較好，具有較好的彈性和韌性，可以發(fā)生一定量的變形。而對于PPR管道，其線性膨脹系數(shù)為0.16-0.18mm/m·K，當管道直線距離過長時，溫度變化會加大伸長量，可能會破壞管道的應力集中處。設計時每隔一段距離就應彎曲管道，或者設置固定墩來分解管道應力。具體的距離要分析塑料管道應力后才能確定。

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