基于節(jié)能環(huán)保下地源熱泵的套管式地下?lián)Q熱器研究

劉森

（安徽地礦新能源開發(fā)有限責(zé)任公司 安徽合肥 230000）

基于節(jié)能環(huán)保下地源熱泵的套管式地下?lián)Q熱器研究

劉森

（安徽地礦新能源開發(fā)有限責(zé)任公司 安徽合肥 230000）

在現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程逐漸加快的現(xiàn)階段，社會(huì)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展的同時(shí)，資源緊缺和環(huán)境惡化等問題也越來越嚴(yán)重，人們已經(jīng)逐漸的開始意識(shí)到節(jié)能減排的重要性，節(jié)能與環(huán)保是影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要因素，各項(xiàng)政策文件的出臺(tái)給各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展也提出了越來越高的要求。地源熱泵因其所具有的節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為清潔能源研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)容。為了推動(dòng)我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，本文對(duì)基于節(jié)能環(huán)保下地源熱泵的套管式地下?lián)Q熱器進(jìn)行了深入的研究。

節(jié)能環(huán)保；地源熱泵；套管式地下?lián)Q熱器；傳熱

前言

在現(xiàn)代化建設(shè)腳步不斷加快的現(xiàn)階段，人們生活水平也實(shí)現(xiàn)了較大程度的提高，空調(diào)作為舒適生活中的必備品在我們的生活和工作中扮演著重要的角色。然而，從我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，仍是以燃煤為主，這種不合理的能源結(jié)構(gòu)使得環(huán)境污染的問題日益嚴(yán)重，對(duì)于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也起到了加大的阻礙作用，特別是在可持續(xù)發(fā)展觀理念提出之后，應(yīng)用低能耗、無污染的可再生新能源工程技術(shù)已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的話題。地源熱泵的套管式地下?lián)Q熱器是一種新興的空調(diào)技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行深入的研究有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)。

1 地源熱泵套管式地下?lián)Q熱器的傳熱影響因素

1.1 地埋管之間的熱干擾

對(duì)于豎直的U形套管式地下?lián)Q熱器而言，其鉆孔孔徑一般情況下均在110～130mm的范圍之內(nèi)；在這樣的狹小的空間之內(nèi)，溫度不同的兩個(gè)支管之間必然會(huì)出現(xiàn)熱量回路的問題，也就是我們通常所說的熱短路。據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管距逐漸增大的時(shí)候，支管之間的熱量回流就越小；另外，豎直單U形管支管之間的熱量回流還會(huì)受到回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1.2 地下水的影響

濕土壤中的含水會(huì)對(duì)套管式地下?lián)Q熱器的換熱產(chǎn)生一定的影響，一方面是由于濕度本身所產(chǎn)生的靜態(tài)干擾，另一方面是含濕量梯度所造成的滲透或流動(dòng)的影響。通常情況下，土壤主要分為干土、非飽和土壤、飽和濕土和濕土壤，這使得地下土壤濕度對(duì)傳熱的影響從簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱問題變成了既有對(duì)流又有熱濕擴(kuò)散的復(fù)雜性問題。研究表明，當(dāng)土壤中的含水量大于50%的時(shí)候，對(duì)熱泵性能的影響并不大。

1.3 回填材料的影響

回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)是影響套管式地下?lián)Q熱器換熱效果和系統(tǒng)效率的主要因素之一。假設(shè)地下巖土是均勻的多孔介質(zhì)，其熱量的傳遞則是由介質(zhì)的導(dǎo)熱和空隙中流體的對(duì)流傳熱來實(shí)現(xiàn)的。以超強(qiáng)吸水樹脂和源土的混合物作為回填材料，在其中注入少量水的條件之下，對(duì)于土壤的非飽和性實(shí)現(xiàn)了明顯的改善，使得地埋管的吸熱量得到提高。

1.4 管內(nèi)循環(huán)流體流量

管內(nèi)循環(huán)流體的流量同樣會(huì)對(duì)套管式地下?lián)Q熱器的傳熱效果產(chǎn)生影響。通常情況下，隨著水流量的增加，進(jìn)出口流體之間的溫差就會(huì)越來越小，單位管長(zhǎng)換熱量會(huì)出現(xiàn)先增加后減小的變化；此外，流量的增加不僅會(huì)減小進(jìn)出口的溫差，同時(shí)也會(huì)因?yàn)檫M(jìn)出管腳內(nèi)流體平均溫度的降低，使得與遠(yuǎn)邊界土壤間的溫差也隨之加大，因此認(rèn)為換熱器中存在著最佳的水流量。

2 地源熱泵套管式地下?lián)Q熱器的建筑應(yīng)用分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料

某省現(xiàn)有一生態(tài)休閑居住區(qū)別墅，分為地上兩層，總計(jì)空調(diào)面積約為333m2，其平面和地表情況如圖1所示；對(duì)于室內(nèi)外的設(shè)計(jì)參數(shù)而言，用于建筑物空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)的參數(shù)包括了氣象資料的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)等，其中夏季室外空調(diào)計(jì)算干球和濕球溫度分別為35.6℃和28.5℃；夏季和冬季室外平均風(fēng)速分別為2.3m/s和2.4m/s；該建筑室內(nèi)所采用的是輻射地板系統(tǒng)，對(duì)實(shí)感溫度的影響和輻射地板的蓄熱能力等因素進(jìn)行考慮之后，決定夏季室內(nèi)地板表面的設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為58%，且冬季室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度為16.5℃。

圖1 建筑物平面和地表情況示意圖

2.2 建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算

建筑冷熱負(fù)荷是冷熱源機(jī)組容量選擇的主要參考依據(jù)，與普通空調(diào)系統(tǒng)相比較而言，輻射地板供暖同時(shí)存在著對(duì)流和輻射換熱，因此在對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候通常采用修正系數(shù)法和降低室內(nèi)溫度法；而冷負(fù)荷組主要包括了維護(hù)結(jié)構(gòu)、人體、設(shè)備、照明散熱等，因此采用冷負(fù)荷系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算；而建筑熱負(fù)荷同時(shí)也是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量，且由于輻射地板供暖系統(tǒng)在建筑物的地層地面下會(huì)存在一定的熱損失，約在其供暖量的10～19%范圍之間，其實(shí)際的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.3 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型

2.3.1 地源熱泵空調(diào)機(jī)組選型

地源熱泵空調(diào)機(jī)組型號(hào)的確定需要在對(duì)空調(diào)機(jī)組實(shí)際負(fù)擔(dān)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上增加10%左右的裕量；其中一層地源熱泵空調(diào)機(jī)組選用的是EM031型，在冷卻水溫度為30℃時(shí)，其制冷量為7.98kW，送風(fēng)量為1415m3/h；冬季的進(jìn)水溫度為10℃時(shí)，其供熱量為7.86kW；二層地源熱泵空調(diào)機(jī)組選用的是EM036型，在冷卻水溫度為30℃時(shí)，其制冷量為8.48kW，送風(fēng)量為1700m3/h；冬季的進(jìn)水溫度為10℃時(shí)，其供熱量為7.86kW。

2.3.2 地源熱泵冷熱水機(jī)組選型

地源熱泵冷熱水機(jī)組主要承擔(dān)著輻射地板系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷，也包括地板下的散熱損失；在最大負(fù)荷和一二層同時(shí)運(yùn)行的條件之下，二層向下的傳熱量對(duì)于一層是有意義的，因此不能將其看做成是熱損失，因此在對(duì)總負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，要去除二層底板的向下傳熱量；經(jīng)過計(jì)算得出，夏季最大的冷負(fù)荷為18.56kW，冬季最大的熱負(fù)荷為21.63kW，并據(jù)此選擇了型號(hào)為WP072的機(jī)組。

2.4 套管式地下?lián)Q熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 換熱器的布置

對(duì)造價(jià)因素進(jìn)行充分考量之后，套管式地下?lián)Q熱器系統(tǒng)應(yīng)該安裝在靠近建筑物的適應(yīng)位置處，并且盡可能的減小環(huán)路集管的長(zhǎng)度；在設(shè)計(jì)的過程中要注意控制換熱器和埋地設(shè)施之間的距離，并且采用多個(gè)環(huán)路集管的方式，如圖1所示，其中的“L”形區(qū)域?yàn)橥扑]埋設(shè)位置；由于區(qū)域內(nèi)存有8口豎井，埋管之間的距離為6m，其具體的管路布置如圖2所示，通過并聯(lián)同程的方式講起分成了兩個(gè)環(huán)路，且每個(gè)環(huán)路內(nèi)包括了4口豎井。

圖2 套管式地下?lián)Q熱器系統(tǒng)布置示意圖

2.4.2 管路最大壓力計(jì)算

為了保證套管式地下?lián)Q熱器最下端管道的重力作用靜壓在其實(shí)際的耐壓范圍之內(nèi)，因此需要對(duì)管路的最大壓力進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)最大壓力超過了管道的實(shí)際耐壓極限的時(shí)候，則需要更換管道或者使用板式換熱器將地下埋管與建筑環(huán)路實(shí)現(xiàn)分離。①要對(duì)套管式地下?lián)Q熱器最不利于環(huán)路的壓力損失進(jìn)行計(jì)算；②管路的最大壓力一般是由重力作用靜壓、水泵揚(yáng)程和換熱器最下端管道靜壓等因素共同決定的，基于此計(jì)算出管路的最大壓力為9.5MPa，在管道耐壓極限之內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，節(jié)能環(huán)保是社會(huì)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展要求和必然趨勢(shì)，特別是在全社會(huì)都廣泛使用空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的背景之下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗已經(jīng)成為社會(huì)實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展的基本要求。地源熱泵系統(tǒng)是一套節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的空調(diào)相比較而言，其來源與較深的地城，在未受到干擾的情況下會(huì)常年保持在恒定的溫度，其中的套管式地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有效的克服了傳統(tǒng)空氣源熱泵技術(shù)中存在的障礙，將其應(yīng)用到建筑采暖空調(diào)領(lǐng)域當(dāng)中一方面不會(huì)受到氣候條件的影響，運(yùn)行穩(wěn)定；另一方面還具有經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。

[1]亓軍強(qiáng)，王寶軍，施斌，王興.分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在地源熱泵系統(tǒng)地埋管溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2015，06：758～762.

[2]李志方，鄔田華，胡平放.土壤源熱泵水平螺旋地埋管換熱器換熱性能研究[J].制冷與空調(diào)，2014，12：118～123.

[3]閆俐君，張旭.基于熱作用半徑的地埋管換熱器儲(chǔ)熱特性研究[J].制冷技術(shù)，2015，01：1～5+10.

[4]胡金強(qiáng).地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析及其在大型公共建筑中的應(yīng)用[J].制冷技術(shù)，2015，02：63～67.

[5]羅仲，張旭.小型土壤源熱泵冬季間歇運(yùn)行的地溫恢復(fù)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù)，2015，04：1～5.

[6]舒凱，王艷，覃文奇.夏熱冬暖地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與節(jié)能分析[J].裝備制造技術(shù)，2014，03：80～85.

TU111.1

A

1004-7344（2016）06-0329-02

2016-2-10