地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统（通用7篇）

地埋管地源热泵系统 篇1

1 引言

随着全球能源危机和环境问题的出现, 作为一项节能环保的可再生能源技术--地埋管地源热泵技术正在逐步兴起。地埋管地源热泵系统是以地表能为冷热源, 通过输人少量的高品位能源 (如电能) , 实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。地埋管地源热泵系统夏季制冷时, 把室内热量取出来, 释放到地下土壤中, 向地下土壤蓄存热量, 以备冬用;冬季供暖时, 把地下土壤中的热量“取”出来, 供给室内采暖, 同时向地下土壤蓄存冷量, 以备夏用[1]。地埋管地源热泵系统通常要求冬夏季节存取的热量相当, 以避免系统长期运行造成地下土壤温度逐年升高或者降低[2]。而福州地处冬暖夏热地区, 建筑物全年累计冷负荷通常大大于全年累计热负荷, 这也是限制地埋管地源热泵技术在福州市发展的一大原因;而为了能够使地埋管地源热泵系统长期稳定运行, 满足土壤全年的冷热平衡, 通常需要分流冷负荷或增加热负荷来平衡全年土壤冷热负荷。

别墅, 作为一种高档次的建筑类型, 由于其自身定位高, 对室内、外环境有较高的品位需求:首先, 需满足夏季供冷、冬季供暖、全年供生活热水的需求;其次, 室内、外应宁静宜人, 而且室内、外环境应合理配合装潢及视觉要求, 确保美观。而地埋管地源热泵三联供系统能够夏季供冷、冬季供暖、全年供应生活热水;且无室外机不影响别墅造型的美观。这些特点使得地埋管地源热泵三联供系统能够很好满足别墅类建筑的要求。同时地埋管地源热泵三联供系统, 除了供冷、供热外, 还提供全年的生活热水, 因而增加了热负荷;那么地埋管地源热泵三联供系统是否能够平衡土壤全年冷热负荷?下面本文以福州市某别墅为例, 计算分析地埋管地源热泵三联供系统在福州市别墅类建筑应用中向土壤排放和吸收的热量。据此, 判断土壤的热平衡, 为暖通工程师在福州市别墅中应用地埋管地源热泵三联供系统提供参考。

2 地埋管地源热泵三联供系统运行方式介绍

图1为某别墅地埋管地源热泵三联供系统图, 其主要由地埋管系统、空调末端系统、生活热水系统三部分组成。其运行方式如下:

(1) 夏季工况运行方式

地埋管地源热泵三联供系统在夏季工况下, 室内风机盘管式地源热泵机组通过室外侧循环泵, 将热泵机组制冷排放的热量带到地埋管系统管网中, 最后热量经过地埋管系统管网散至地下土壤中。

(2) 冬季工况运行方式

地埋管地源热泵三联供系统冬季工况下, 室内风机盘管式地源热泵机组通过室外侧循环泵, 将热泵机组制热排放的冷量带到地埋管系统管网抽中, 冷量经过地埋管系统管网散至地下土壤中。

(3) 全年热水运行方式

热泵热水机组, 全年从地埋管系统循环水中提取免费热量, 制取满足要求的生活热水。

3 别墅模型及其空调冷热负荷分析

3.1 别墅概况及设计参数

福州市某别墅南北朝向, 建筑面积328m2共2层, 常住人口5人。建筑空调面积201m2, 夏季空调设计温度为26℃, 相对湿度55%;冬季空调设计温度为20℃, 相对湿度为50%;生活热水供回水设计温度为55℃-40℃;参考《居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规范》J10807-2006第6.1.1条别墅热水用水定额为70-110L/人.d, 该别墅设计人均热水用水定额为90L/人.d。

3.3 别墅维护结构参数 (见表1)

3.3 别墅全年累计冷热负荷

本文使用Dest软件对该别墅进行建模, 模拟计算别墅全年累计冷热空调负荷。Dest软件是由清华大学开发的建筑模拟分析软件 (designer’s simulation toolkits) 。可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核, 起到提高设计质量、保证设计可靠性、对如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质量具有重要的指导作用。

别墅建筑物理模型平面图如图2、3所示。住宅内发热量的主要来源包括人体、照明、电器设备以及燃气具, 其中人体是住宅内的最大发热源, 而照明发热量对住宅内热环境的影响最小, 内扰设置主要根据房间功能及人员数来设置[3]。根据房间功能的不同, 采用软件默认设置各房间内扰。

根据福州的气候特点及别墅实际定位, 设置全年采暖期为90天, 制冷期为150天。由Dest-h模拟计算得该别墅全年累计冷负荷为8293.04kW.h (29855Mj) , 全年累计热负荷为1660.01kW.h (5976Mj) , 全年逐时冷热负荷如图 4所示。

3.4 别墅全年生活热水负荷

建筑全年生活热水负荷按照公式1计算:

Qs=365*G*ρ*C* (Tg-Tj) (1)

式中:Qs为全年生活热水负荷, kJ;G为建筑每天用水量, m3/ d; ρ为自来水水密度, kg/ m3;C为水的比热容, kJ/kg.℃;Tg为生活热水供水温度, ℃;Tj为全年自来水供水平均温度, ℃。

福州市年平均气温为19.6℃, 全年自来水供水平均温度Tj接近于福州市年平均气温取20℃;根据设计要求别墅生活热水供水温度为55℃;建筑物每天用水量为0.45m3/d。经过计算该别墅全年生活热水负荷为24144Mj。

4 全年土壤热平衡分析

地埋管地源热泵三联供系统全年向土壤中排放的热量Qp主要由热泵空调系统所负担的冷负荷和热泵机组功耗两部分组成, 可由公式2计算;地埋管地源热泵三联供系统全年向土壤中吸收的热量Qx主要由热泵空调系统所负担的热负荷和别墅全年生活热水负荷两部分组成但需扣除热泵机组功耗, 可由公式3计算。

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式中: Qc为热泵空调系统所负担的冷负荷, Mj;Qr为热泵空调系统所负担的热负荷, Mj;cop为热泵机组性能系数, 参考国内地源热泵机组运行性能系数[4], 夏季热泵机组平均运行COP取值4.6, 冬季热泵机组平均运行COP取值3.33。

经过计算, 在福州市该别墅中使用地埋管地源热泵三联供系统, 在一年的运行周期内向土壤排放的热量为36345Mj, 向土壤吸收吸收的热量为28325Mj, 土壤的冷热不平衡量为8020Mj, 不平衡率达到22%。显然, 如果不采取其他措施来平衡冷热量的条件下, 土壤温度将会随着地埋管地源热泵三联供系统的长期运行而逐年升高。那么整个系统的运行能效将逐步降低, 严重时将无法运行。

5 结语

通过对福州市某别墅的全年空调负荷的模拟计算以及对全年生活热水负荷的计算, 得知该别墅全年累计冷负荷为29855Mj, 全年累计热负荷为5976Mj, 全年热水负荷为24144Mj。应用公式2和3对土壤进行全年热平衡分析, 得知:在该别墅中使用地埋管地源热泵三联供系统, 在一年的运行周期内向土壤排放的热量为36345Mj, 向土壤吸收排放的热量为28325Mj, 土壤的冷热不平衡量为8020Mj, 不平衡率达到22%, 不利于地埋管地源热泵三联供系统运行。通过此次模拟计算分析, 得知在福州市别墅类建筑中使用地埋管地源热泵三联供系统, 土壤的冷热平衡存在问题, 暖通工程师在设计此类系统需要注意分流夏季冷负荷, 以避免系统长期运行而出现土壤热岛效应。

参考文献

[1]罗迎宾.别墅型的地源热泵三联供系统研究[J].可再生能源建筑应用

[2]王彬.冷却塔-土壤源混合式热泵的应用研究[M].硕士论文

[3]江亿.建筑环境系统模拟分析方法-Dest[M].中国建筑工业出版社,

[4]徐伟.中国地源热泵发展研究报告 (2008) [M].

地埋管地源热泵系统 篇2

地源热泵的概念最早出现在1912年, 在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。国内外的学术著作中一般这样描述地源热泵的概念:地源热泵是一种利用地下浅层的恒温地热资源 (也称地能, 包括地下水、土壤等) , 通过输入少量的高品位能源 (如电能) , 实现热能转移的高效节能的空调系统。以埋在地下的管路系统中的循环水作为载体, 在冬季, 流动水把地能中的热量输送到建筑内供取暖;在夏季, 流动水又把建筑内的热量释放到地层中去, 使室内凉爽。

地源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能, 比燃料锅炉节省1/2以上的能量。由于地源热泵的热源温度全年较为稳定, 其能效比可达5.0左右, 与传统的空气源热泵相比, 要高出40%左右, 其运行费用为普通中央空调的50%～60%。由于地源热泵属于可再生能源利用技术, 属于经济有效的节能技术, 环境效益显著, 维护费用低, 一机多用, 应用范围广。因此, 近十几年尤其是近5年来, 地源热泵空调系统在北美及中、北欧国家取得了较快的推广使用。在提倡开发和使用环保新能源的今天, 地源热泵在中国有着非常大的市场潜力。可以预计, 该项技术将会成为21世纪最有效的供热和制冷空调技术。

根据地源热泵从地下吸收热量的方式不同 (即低温热源的不同) 可分为:开式回路系统与闭式回路系统。开式系统的低温热源是直接利用水井、废弃的矿井的水及抽取地下水。闭式系统是通过二次流体 (水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭地下埋管中的流动, 将热量传送到地下或从地下吸收热量。由于我国很多地方地下水资源匮乏, 抽取地下水的开式系统不适合我国国情, 而且地下水的回灌问题也比较难解决。因此, 国内目前所致力研究开发的地源热泵主要是闭式系统。闭式系统的地源热泵地下环路 (即地热换热器) 的埋管方式多种多样。目前, 国外普遍采用的有垂直埋管和水平埋管地热换热器2种基本的配置形式。从我国的国情来看, 采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积, 换热性能好, 可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能, 甚至可在建筑物桩基中设置埋管, 充分利用可利用的土地面积。

因此, 垂直U型地埋管换热系统更值得推广。从安装的角度看, 垂直U型地埋管热泵系统工程分3个部分, 即地埋管换热系统安装、空调管路及末端设备安装、中央空调主机和配套设备安装。

2 地埋管换热系统安装常见问题分析

2.1 地埋管管井深度未达到设计要求

竖直地埋管可深可浅, 必须根据当地地质条件而定, 如20 m、30 m……直到200 m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。地埋管管井深度未到达设计要求, 原因是因为钻孔施工在接近地表深处时施工难度增加, 施工队为节省施工费用, 虚报管井深度。由此照成地埋管换热效率达不到设计要求, 直接影响到地源热泵中央空调系统的使用效果。应严格监督钻孔深度及下管过程, 委托管材厂家加注米标。

2.2 地埋管管井孔径未达到设计要求

竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度, 将制作好的U型管下入孔中, 然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同, 钻孔孔径可以是100 mm、150 mm、200 mm或300 mm。

地埋管管井孔径未达到设计要求, 原因是钻孔施工队伍为加快施工进度、节省时间、节省人工、节省回填材料而采取的偷工减料行为。由此造成下PE管时PE管壁受伤, 严重时可能造成PE管壁破裂、管井报废。应严格把好工序检验关, 监督好施工队伍。

2.3 地埋管管井垂直度未达到设计要求

地埋管管井垂直度未达到设计要求, 原因是钻孔施工队伍在钻孔前调整钻机底座平衡、钻孔四周地面夯实、钻杆垂直参照物选择等方面工作不认真造成。由此可使管井下方倾斜, 严重时甚至造成本管井与相邻管井相通, 形成“串孔”, 使管井换热能力下降甚至管井报废。应夯实钻孔四周地面, 调平钻机底座平衡, 下钻杆时找准垂直参照物。

2.4 地埋管管材质量未达到设计要求

地埋管管材质量未达到设计要求, 原因是因为施工单位或PE管生产厂家为节省材料成本、赚取更多利润而采取的以次充好、降低成本的方法。由此可使PE管耐压能力下降, 寿命减短。应严格把好管材质量检验关。

2.5 地埋管U型接头焊接质量出现问题

地埋管U型接头焊接质量出现问题, 原因是因为施工单位焊接设备材料质量不佳、PE管焊接工人工作态度不佳等因素造成。由此可导致地埋管漏水, 一组管井报废等严重后果。应严格焊接工艺, 避免低温下焊接。

2.6 地埋管下管过程易出现的问题

地埋管下管过程易出现下管深度不到位、PE管管壁破损等现象。地埋管下管深度不到位可能是由于管井塌井、缩孔所致, 此现象可降低换热效率。PE管管壁破损影响PE管的耐压能力和使用寿命, 破损严重时可造成漏水、管井报废。清孔要彻底, 换浆、下管要及时。

2.7 地埋管回填时易出现的问题

地埋管回填时易出现回填不密实的问题。原因是由于回填料配比不当、回填不匀速、回填速度过快、未多次回填所致。回填不密实可导致换热效率降低, 影响空调使用效果。要调好合适的回填料配比, 匀速回填, 多次回填。

2.8 水平管连接中易出现的问题

水平管连接中易出现漏水的问题。水平连接接头多, 如果焊接工人未严格按焊接工艺操作, 会导致接头质量出现问题。在进行水平连接前应夯实基础, 避免基础下沉造成管材拉伸变形, 从而使接头处漏水、失压。

3 空调管路及末端设备安装常见问题分析

3.1 风管道系统安装易出现问题

风管道系统安装易出现漏风现象。风管加工、安装过程中应严格按工艺、规范操作, 施工完后要做漏光检测、漏风量测试, 如咬缝漏光严重, 应重做该段风管, 对风管还要做防腐、保温处理, 避免管道漏风、冷热能量损耗。

3.2 水管道系统安装易出现焊接质量问题

水管道系统安装易出现气孔、裂纹、夹渣等焊接质量问题。应严格按焊接工艺操作, 避免气孔、裂纹、夹渣等现象。管路安装完毕应进行自来水试压和管道清洗工作。水管道系统的防腐、保温处理同样重要。否则更会导致漏水、冷热能量损耗。

3.3 风机盘管的安装过程中易出现的问题

风机盘管的安装过程中易出现管路堵塞、冷凝水流动不畅、水盘积水、接口处渗漏、工作噪音大等问题。风机盘管的接驳应在管路冲洗后进行, 冷热水管与风机盘管连接应平直, 凝结水管采用软性连接, 并用喉箍紧固严禁渗漏, 坡度应正确, 确保凝结水应畅通地流到指定的位置, 供回水阀及过滤器应靠近风机盘管安装。风机盘管单独设置吊架, 吊装支架安装牢固、位置正确, 吊杆与风机盘管相联应用双螺母紧固找正找平, 风机盘管与进出风管之间均按设计要求设软接头, 以防震动产生噪音。

3.4 出、回风口安装过程中易出现的问题

出、回风口安装过程中易出现封口管道变形、漏风、风口格栅变形、松动等问题。原因是安装工人未按规范认真施工所致, 应加强施工监督工作, 即时整改。

3.5 温控终端设备安装易出现的问题

温控终端设备安装易出现位置偏移、面板松动、接线错误、电线破损等问题。原因是安装工人野蛮施工、不按施工规范操作所致。温控终端的安装是面子工程, 一定不能马虎。

4 中央空调主机和配套设备安装常见问题分析

4.1 中央空调主机房基础施工方面

中央空调主机房基础施工方面易出现裂缝、空洞、露筋和掉角等现象。应根据土建提供的有关设备基础的资料, 检查基础的纵、横向中心基准线, 标高及基准点是否符合设计要求, 同时按照《混凝土结构工程施工及验收规范》中的有关规定, 进行基础外观检查, 对达不到要求的地方, 通知土建单位进行处理。验收过程中要填写“设备基础验收记录”, 并经有关人员会签。基础验收完成后, 对基础表面及预留孔内杂物清除, 灌浆处的基础表面应凿成麻面, 以保证灌浆质量。

4.2 中央空调主机设备拖运方面

中央空调主机设备拖运方面易出现设备碰撞、倾倒导致设备损伤。施工前熟悉施工现场设备布置平面图, 了解现场设备安装位置和方向。托运前查看设备的地点、外形尺寸和单件重量, 了解拖运路线, 考虑能否顺利通过, 如需清理、平整、加固时, 必须事先做好准备。托运前对设备进行外观检查, 发现有缺陷时, 及时向现场负责人报告。设备拖运中要保持平稳, 如沿斜坡拉下时, 后面必须加尾绳, 以防设备下滑, 拖运设备上重下轻时, 必须采取措施, 以防设备倾倒。参加设备拖运的人员必须时刻注意设备动向, 手脚严禁接触运行中的牵引索具, 人需站在安全的一侧, 拖运区内, 不准其他人员随便进出。

4.3 中央空调主机设备就位方面

中央空调主机设备就位方面易出现中心偏移、垫层不平整现象, 导致中央空调主机运行时震动过大、噪音过高, 严重时可造成主机设备寿命减短。

设备就位前事先用枕木及钢板铺设斜坡, 同时在基础上垫置枕木, 以保护地脚螺栓。将拖排牵引索通过滑轮组接至卷扬机, 由卷扬机将设备拖至基础上。设备就位前找出设备本体的中心线, 垫铁的敷设应符合《机械设备安装工程施工及验收通用规范》中的有关规定, 每组垫铁必须垫实、压紧、接触良好, 相邻两垫铁组的距离为500～1 000 mm。对于直接安装在较厚混凝土基础上的设备, 将设备的底座安装在厚度为80 mm以上的橡胶垫板或减震装置上, 安装要求必须符合工程设计文件及随机技术文件。

4.4 中央空调机组设备安装方面

中央空调机组设备安装方面易出现机组震动较大、风机噪音较大等现象。

组合式空调机组在安装前必须清理干净, 保证箱内无杂物。机组下部的凝结水排放管设水封, 水封的高度必须根据机组的余压进行确定。组合式空调机组各功能段之间的连接必须严密, 并保证机组整体平直、检查门开启灵活。整体式空调机组在安装前, 打开设备活动面板, 用盘动风机检查有无叶轮与机壳相碰的金属摩擦现象, 风机减震部分是否符合要求。空调机组设橡胶减震垫10块, 橡胶硬度为40度, 上覆6 mm厚钢板, 钢板尺寸比减震垫周边宽20 mm。安装后检查空调机组的水平度, 如不符合要求, 要进行调整。吊装的空调机组视设备的具体情况分别考虑吊架的形式。对重量较小的机组采用A型吊架, 重量较大的采用B型吊架。

4.5 中央空调机房阀门及法兰安装方面

中央空调机房阀门安装易出现操作机构和传动装置动作不灵活、卡涩等现象。法兰安装时易出现中心偏差、损坏密封面等现象。

螺纹或法兰连接的阀门, 必须在关闭的基础上进行安装, 同时根据介质流向确定阀门安装方向。水平管道上的阀门, 手轮应朝上安装, 特殊情况下也可水平安装。阀门与法兰一起安装时, 如属水平管道, 其螺栓孔应分布在垂直中心的左右, 如属垂直管道, 其螺栓孔应分布于最方便操作的地方。阀门与法兰组对时, 严禁用槌或其他工具敲击其密封面或阀件, 焊接时应防止引弧损坏法兰密封面。阀门的操作机构和传动装置应动作灵活, 指示准确, 无卡涩现象。阀门的安装高度和位置应便于检修、操作。调节阀应垂直安装在水平管道上, 两侧设置隔断阀, 并设旁通管。阀门安装完毕后应妥善保管, 不得任意开闭阀门, 如交叉作业时应加防护罩。法兰连接应保持同轴性, 其螺栓孔中心偏差不得超过孔径的5%, 并保证螺栓自由牵引。法兰连接应使用统一规格的螺栓, 安装方向一致, 紧固螺栓应对称, 用力均匀, 松紧适度。

4.6 中央空调机组电路安装方面

中央空调机组电路安装方面易出现相序接反现象, 造成机组不工作。需注意电源线颜色一一对应, 不出现相序颠倒现象, 必要时用相序表检验相序。

5 结语

以上阐述了垂直地埋管地源热泵空调系统施工过程中的一些常见问题, 并提出了解决方法。由于篇幅有限, 对于施工过程中另外一些不常发生的问题未能详尽叙述。

参考文献

[1]GB50366—2005地源热泵系统工程技术规范

[2]GB50275—98压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范

地埋管地源热泵系统 篇3

地埋管地源热泵相对于地下水地源热泵和地表水地源热泵，地埋管地源热泵不受地域限制、不污染地下水，不受水文环境地质政策的限制，具有更好的应用前景[1]。目前,地埋管式地源热泵在欧美国家已得到普遍应用，已被充分证明是成熟可行的技术；在我国，建设部和一些省市的建筑节能政策中明确提出要推广使用地源热泵。

对于传统空调，系统的设计主要是空调方案以及空调设备的优化选择，但对于土壤源热泵系统，其原理是将室内的冷热量排放到大地中，通过季节转换从大地吸热或排热。其中地下环路系统是最为关键的一个环节，深层土壤一年四季相对恒定的温度保证了地源热泵系统的高效节能，但是土壤吸排热不平衡可能造成土壤温度持续变化，不利于热泵的长期稳定运行，也会对生态环境造成一定影响。地源热泵空调系统要获得大规模应用，必须对地埋管和热平衡问题[2]进行深入研究。

本文结合北京市“远洋LAVIE”高端别墅项目，根据地温场实测数据和理论分析，从保证建筑物冷热负荷和土壤热平衡的要求出发，具体分析垂直地埋管的热力性质和特征。根据项目特定的土壤地质条件，总结出地埋管的间距、单U管、双U管的换热效果、土壤温度的恢复周期及土壤热平衡问题。

2 地埋管与土壤热平衡问题

2.1 土壤热平衡要求

《地源热泵系统工程技术规范》规定：地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释（排）热量宜与其总吸（取）热量相平衡。因此，全年运行的土壤源热泵系统需要考虑全年时间段内从土壤取、放热量的平衡问题。

2.2 目前存在的问题

根据建筑热工规范我国可分为5个区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。由于巨大的地域差异，使得大部分地区的建筑物在一年之中的冷、热负荷相差甚大，进而影响热泵系统。RottmayerSP等[3]做的相关研究表明，夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量均衡时孔深不随运行时间变化，不均衡时地埋管换热器换热性能下降，随运行时间的延长所需的设计孔深呈对数曲线增大。根据相关资料统计，一般情况下土壤温度降低1℃，制取同样热量的能耗增加3%～5%[4,5]。

地埋管的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程[6]，因此地埋管设计，热平衡计算和运行管理就非常重要。土壤冬夏取放热不平衡主要原因包括：土壤换热器的数量、设计间距、冬夏季节空调负荷绝对值以及运行时间上的差异。

3 地温场测评分析

3.1 项目情况介绍

本项目位于北京市朝阳区首都机场和平农场内，总建筑面积约20.80×104m2，属于高端别墅项目。本文将以A1-2户型和A1-2反户型为例来分析。

1)A1-2反户型建筑面积为435m2，采用单U埋管方式，共设9根地埋管，埋深为120m。计算冷负荷为33kW，全年冷负荷为108GJ，计算热负荷为28kW，全年热负荷为115GJ。

2)A1-2户型建筑面积为435m2，采用双U埋管方式，共设7根地埋管，埋深为120m。计算冷负荷为33kW，全年冷负荷为106GJ，计算热负荷为27.5kW，全年热负荷为109GJ。两个户型地埋管具体布置如图1和图2。

3.2 现场土壤地层分析

本项目位于顺义第四系凹陷地带，第四系冲洪积沉积厚度400m，含水层岩性以黏砂、中细砂为主，150 m以上含水层累计厚度40 m，主要接受大气降水的垂直入渗补给和上游地下水径流补给，富水条件较好，单井出水量一般为1500m3/d～2000m3/d左右。近年由于降水量减少，致使水位有所下降，地下水流向呈西北至东南，地下水水力坡度1.5‰左右。含水层的主要补给源为大气降水补给，其次为侧向流入补给、河流入渗补给。

根据项目建筑物布局特点，利用钻井机具进行现场钻探，每钻进5m，采集一次岩屑，分析地层岩性，通过对钻机钻进实际情况的了解，确定出单孔地层资料[7][8]。现场地层数据详见表1。

3.3 地温场监测方案

1）为反映单、双U埋管方式对土壤垂直及水平方向温度场的影响，在单、双U埋管区域分别安装一套测试基站(其中双U系统对应A1-2户型，单U系统对应A1-2反户型)。

2）地温监测孔的布置

本项目为别墅项目，考虑到建筑的分散性及现场施工条件，每套测试基站在水平方向布设地温监测孔3个，其中一个主监测孔取布孔区域中心位置的一个实际换热孔。为研究不同岩土层（黏砂、中砂、中粗砂、细砂等）在水平、垂直方向上受地源热泵系统运行的影响土壤温度的变化情况，在此实际换热孔内沿垂直方向在15m（黏砂夹粉细砂层）、40m(细砂层)、60m（黏砂层）、85m（中砂层）、120m（中粗砂层）处各布一个测温点，在此孔两侧水平方向4.0m处另打2个深40m辅助监测孔，分别在15m及40m处各布一个测温点。具体测试原理图如图3。

3）温度采集要求：单、双U两套系统的土壤温度采集频率均为1h，为了削弱短期内气温突变或系统启停等因素的影响，此处作图分析将各采集点的温度以周为单位进行算术平均，从而便于观察整个季节的温度变化。

3.4 监测数据分析

3.4.1 地层温度随深度变化图

取不同埋深的土壤温度测点在冬季（取热过程）、春季（取热恢复过程）、夏季（排热过程）以及秋季（排热恢复期）4个阶段的采集数据，作图4～图7，可以看出：

1）春季土壤温度恢复期间，地温稳定在12℃，随着深度的增加，温度有增高的趋势，120m处比15m处高1.2℃左右，单双U埋管的结果一致（一般认为地表以下30m～100m岩土体的温度已比较稳定，约等于全年平均温度，不受季节的影响；岩土的热容量大，蓄热性能好，温度波动小，相对于气温有所延迟和衰减）。

2）夏季排热过程，地温平均升高2.5℃，同样存在温度随着深度的增加而略增的趋势。温度的增幅基本一致，说明各层地温场热扩散速度大致相同，双U系统地温场的变化幅度略大于单U系统。

3）秋季土壤温度恢复期间，地温平均降低了1℃，双U系统地温场变化的幅度略大于单U系统。根据图6辅助监测孔的温度曲线变化图，可以看出土壤温度已经基本恢复。

4）冬季取热过程，地温平均降低3.6℃，随着深度的增加，温度的降幅略有增加，双U系统地温场的变化幅度略大于单U系统。

5）对照图6，春季和秋季土壤温度恢复大约需要一个月的时间，因此，即使别墅冬季和夏季的冷热负荷不匹配，由于别墅冷热负荷密度较小，并且春季和秋季别墅不需要供冷或供暖，土壤可以通过吸收并储蓄太阳能来实现自身的温度平衡，不会对土壤源热泵系统的常年运行带来负面影响。

6）对照图7，图中0基准为春季土壤平均温度，因此，冬季土壤温度降低为负值，夏秋季温度升高则为正值。可以看出，双U系统的温度变化幅度大于单U系统的温度变化幅度；冬季从土壤取热期间，中粗砂层的温升最高，黏砂夹粉细沙层温升最低，细沙、黏砂与中砂的温升大致相同；夏季往土壤中排热期间，没有明显规律。根据土壤的热物性特征，土壤的温度变化取决于热导率，热导率越大，温升越小；土壤的传热量取决于比热容、热导率和密度，土壤的含水量对其密度和导热率有决定性影响，当水分含量较低时，传热模式为导热，而当水分含量较高时，传热模式变为对流和和扩散，因此，潮湿的土壤比干燥土壤传热性能好；土壤的热导率和比热容都比较大是埋管换热的理想环境，对冬季热泵运行效果而言，回填土采用沙土传热性能最佳，粉砂质亚黏土次之；在夏季，由于土壤温度的升高，其中含水量将会向外迁移，土壤变得干燥，因此换热性能会受到负面影响。

3.4.2 地埋管换热孔区域平均地温等值线图

图8和图9所示为地埋管换热孔区域的温度分布云图，单双U系统分成4个季节成像，基准坐标0时表示地面。从分布图可以看出，冬季双U系统从土壤的取热密度高于单U系统，夏季双U系统向土壤的排热密度高于单U系统；春季和秋季温度分布图单、双U系统理论上应大致相同，但实测结果出现了1℃的差异，表明双U系统周边土壤的自平衡能力比单U系统略好，或者存在水流扰动的影响。

3.4.3 单、双U系统比较分析

图10～图13为单、双U系统冬夏季换热温度曲线，从供回水温差和换热温度来看，没有明显的差异。通过比较换热对数温差，冬季换热过程中双U系统换热效果好于单U系统，其对数换热温差是单U系统的1.3倍；夏季换热过程中双U系统也好于单U系统，但不太明显。

结合热泵机组运行数据分析，双U系统单孔夏季排热密度为每延米62.7W，单U系统56.4W；双U系统单孔冬季取热密度为每延米50.6W，单U系统为37.6W。这说明实际运行过程中，双U系统的换热能力优于单U系统，且冬季的换热效果比夏季的换热效果更明显，这与单、双U系统试验测试结果分析相吻合。

4 测试结论

1）测试地块土壤温度恢复时间大约为30d，即使别墅项目夏季和冬季冷热负荷存在一定程度的不匹配，由于春季和秋季期间地源热泵系统不运行，大地通过储存太阳能量以及自身的热容量，能够实现自身的温度平衡，不会对土壤源热泵系统的常年运行带来负面影响。

2）土壤的热导率和比热容大是埋管换热的理想环境，对冬季热泵效果而言，回填土采用沙土传热性能最佳，粉砂质亚黏土次之；在夏季，由于土壤温度的升高，土壤含水量将会向外迁移，土壤变得干燥，因此，换热性能会受到负面影响。

3）在2.5m的间距范围内，辅助监测孔测点温度受到了主监测孔测点温度的微弱影响，但影响幅度不大。考虑到地源热泵的长期性和可靠性，垂直地埋管间距要考虑一定富裕量，换热孔的间距控制在5m～6m的范围内比较合理。

4）对于别墅项目，冬季和夏季双U系统的换热效果优于单U系统，但冬季换热效果比夏季换热效果差异更明显。参考相关文献和其他工程数据，对于负荷密度较大的建筑，双U系统的优势更为明显，而对于负荷密度较小的别墅，单双U系统的差异较小。

参考文献

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【3】Rottmayer SP,Beckman WA.Simulation ofasinglevertical U-tube ground heatex changer in an infinite medium[G].ASHRAE Trans,1997,103(2):651-659.

【4】刘晓茹.地埋管地源热泵系统热平衡及其地域性分析[J].暖通空调,2008,38(9):57-59.

【5】何雪冰,刘宪英.北方地区应用地源热泵应注意的问题[J].低温建筑技术,2004(2):85-86.

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【7】卫万顺,郑桂森,王立发,等.北京平原区浅层地温能资源地质勘查报告[R].北京:北京市地质矿产勘查开发局,2008.

地埋管地源热泵系统 篇4

1.1 太阳能-地埋管热泵供暖其优热性

太阳能是一种清洁的可再生能源, 取之不尽用之不竭;地表浅层是一个巨大的太阳能集热器, 收集了47%的太阳辐射到地球上的热量, 因此, 浅层地热能也是一种无限的、清洁的可再生能源。

太阳辐射受到昼夜和阴雨天气等因素影响, 具有间歇性和不稳定性, 单独利用太阳能进行供暖需要很大的集热器面积, 而且需要庞大的蓄热装置或备用热源.太阳能-地埋管地源热泵系统是将太阳能和浅层地热能相结合利用的一种系统形式, 既利用了这两种清洁可再生能源, 又能克服各自的缺点, 这是比较完美的系统相结合的一种典范。

1.2 系统组成和运行模式

1.2.1 系统组成

太阳能-地埋管地源热泵供暖系统原理图如图1所示。

该系统主要由四个子系组成, 分别为太阳能集热系统, 热泵机组、地埋管换热系统和地板辐射供暖供冷系统。各子系统均为闭环系统, 通过板式换热器进行换热。

1.2.2 系统运行模式

该系统的冬季运行模式有如下三种:

1) 太阳能和地埋管地源热泵交替供暖———即白天晴天利用太阳能集热器收集的热量直接供暖, 阴天和晚上采用地埋管地源热泵供暖。这种运行模式的好处是直接利用太阳能供暖而不经过热泵, 能节省一部份电能, 而且省去了蓄热水箱, 减少了初投资;同时地埋管换热器间歇运行, 使土壤温度得到及时恢复, 热泵供热系数较为稳定。

2) 太阳能热泵和地埋管地源热泵交替供暖———即白天太阳能集热器的水温达不到供暖要求的水温, 所以通过热泵提升水温后再供暖。

3) 同时利用两种热源的联合供暖———即同时利用太阳能集热水温经板换提高地埋管循环水温再通过热泵机组, 水温达到要求后供热。

1.3 系统供暖性能评价参数及实验结果

介绍的实验地点为我国严寒地区哈尔滨市, 供暖实验时间为2007年12月5日开始, 连续运行至2008年4月15日, 共132d。其中2008年3月15日～4月15日为供暖末期, 热泵停止运行, 仅靠太阳能直接供暖。供暖实验结果见下表1。

从表1可以看出, 系统供暖性能系数达到8以上, 热泵性能系数达到4以上, 所以此套系统节能效果显著。而供暖保证率偏低, 主要是实验建筑刚刚建成, 无人居住、室内无热源, 便得室温上升缓慢采暖实验前期达不到18℃标准而造成的。

1.4 系统供暖运行实测结果评述

从太阳能直接供暖时地板供回水温度变化曲线图中可知, 地板供水温度变化较大, 在20℃～28℃之间变化, 平均供水温度为24℃, 从地埋管地源热泵运行时热泵机组冷凝器进出口水温 (即地板回供水温) 曲线图中可知, 地板供水温度在20.7℃～23.3℃之间变化, 平均供水温度为22℃, 供回水温差为2℃～3℃。测定期间室外实测温度在-30℃～-5℃之间变化, 相应室内平均温度总体在16℃～21℃之间波动。因此可以认为, 对于严寒地区的节能建筑, 当末端采用地板辐射供水时, 地板供水温度较低也可以满足室内温度的设计要求, 同时冷凝器的冷凝温度降低也将提高热泵的COP值。

由于两种供暖方式供水温度都偏低, 如果末端采用的是普通的散热器或风机盘管等装置, 都不能满足它们对热源温度的要求, 也就不能使室温达到设计要求, 但是对于地板辐射采暖系统, 它的低温供暖特点恰恰与这种供暖模式相适合。

实险结果证明, 将太阳能与地埋管地源热泵相结合, 能“取长补短”, 合理利用两种可再生能源, 再与地板辐射供暖末端装置相结合, 能取得显著的节能效果。

该系统不但可用于冬季供暖, 也可用于夏季供冷, 不过应增设辅助热源 (锅炉) 和辅助冷源 (电制冷机) 才可得到实际应用的保证。

2 太阳能-地埋管地源热泵并联热水供应系统

太阳能-地源热泵混合热水系统将地源热泵与太阳能结合在一起, 既可以克服热泵长期运行造成地下土壤温度的降低 (或升高) , 给土壤温度场一个恢复期, 并且可以减小地埋管换热器的埋地深度和占地面积;又可以避免太阳能受天气、季节、日照时间以及昼夜变化的影响, 实现连续供暖和供应生活热水。

2.1 系统组成及运行规则

此系统装置以广东工业大学某学生公寓为例, 为384名学生提供生活热水, 一天所需50℃的生活热水约18t (按规范人均需热水45L计) 。该系统的原理图如下图2所示。

系统运行规则设置如下:由循环泵、太阳能集热板以及太阳能水箱组成的太阳能热水系统在白天 (06:00--18:00) 自动循环吸热。凌晨01:00电磁阀打开, 太阳能水箱往地热水箱补水。地热水箱中装有温度感应探头, 感应温度若低于设定温度 (50℃) , 则启动地源热泵系统, 对地热水箱中的水进行循环加热, 至设定温度后停机。04:00启动太阳能补水阀 (原有系统) , 往太阳能水箱自动补自来水, 直至太阳能水箱高位水位开关响应 (太阳能水箱补满) , 切断电磁阀。18:00是学生用水时间, 启动供水泵, 往楼顶的小水箱补水, 小水箱装有水位开关, 可以根据水位开关的响应实现自动补水。

2.2 并联系统热水供应冬季运行特性

对于夏热冬暖地区以广州为例, 冬季运行系统测试情况如下:第一种情况, 太阳能热水温升与当天太阳能辐射照量的关系, 两个测试阶段平均每天太阳能辐射量分别为11.5MJ/ (m2·d) 和10.1MJ/ (m2·d) , 属于较低水平, 使得太阳能热水系统在循环一天后 (6:00-18:00) 热水温升幅度保持在8℃～18℃, 即当时自来水温度为20℃左右, 热水温度达到28～38℃。从实测结果看出, 太阳能热水的温升幅度随太阳能辐射照量的增大而增大。此种情况单靠太阳能量的热水温度满足不了学生浴室的要求。

第二种情况, 白天平均气温和太阳能下水温变化关系的测定, 其中太阳能下水温度指的是太阳能热水系统循环一天后 (6:00-18:00) 被加热水的温度。经过两阶段的测定结果如下:一阶段平均气温为22℃, 太阳能下水温保持在35℃左右;二阶段平均气温为13℃, 太阳能下水温保持在25℃左右。可以看出, 太阳能下水温变化与室温度变化基本一致。

从以上两种情况测定结果得出如下结论, 在太阳能辐照量不足、环境温度较低的冬季, 仅依靠太阳能无法把热水直接加热到50℃, 无法达到生活热水的水温标准, 不能直接提供给学生使用, 因此需开启辅助加热系统。

2.3 系统冬季最佳运行模式

通过系统运行实测数据得出如下合理的运行模式, 在晚秋和初冬时期, 太阳能对系统热水温度的提升的贡献较地源热泵系统的大, 因此, 此阶段宜采用太阳能为主, 地源热泵为辅的运行模式。在深冬季节, 太阳能对系统热水温度提升的贡献较地源热泵系统的小, 因此, 此阶段宜采用太阳能为辅地源热泵为主的运行模式或完全采用地源热泵的运行模式。

2.4 特点和结论

太阳能热水系统在太阳辐射的量不足, 环境温度较低的冬季无法满足生活热水的需求, 而造成的太阳能-地源热泵并联热水系统不但在冬季可以满足学生公寓对生活热水的需求, 而且系统的换热效率平均值达4.0以上, 属节能系统。

在冬暖夏热地区, 冬季运行时, 由于地埋管换热器的冷水温度始终保持在0℃以上, 因此地下循环冷水无需添加防冻剂。

通过测定地埋管换热器的单位长度热流量可达60W/m以上, 冬季依然可以保证正常的热水供应, 因此地源热泵系统在冬暖夏热地区的应用前景非常看好。

摘要：介绍了太阳能--地埋管地源热泵在严寒地区联合使用的地板辐射采暖系统以及在冬暖夏热地区并联使用的热水供应系统。分别介绍了二个系统的组成、运行模式、运行规则及特点。实践证明该套系统是成功的, 达到因地制宜和节能的目的。

关键词：太阳能,地埋管地源热泵,地板采暖,热水系统,运行模式,规则及特点

参考文献

[1]王潇, 郑茂余, 张文雍.严寒地区太阳能-地埋管地源热泵地板辐射供暖性能的实验研究。暖通空调, 2009, 39 (7) :128-131.

[2]王雁生, 王成勇, 胡映宁.太阳能+地源热泵并联热水系统冬季运行特性研究[J].暖通空调, 2009, 39 (9) :70-74.

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[5]陈文明, 王成勇, 王雁生, 等.广州地区地源热泵热水系统的应用研究[J].节能, 2008, 27 (3) :55-57.

地埋管地源热泵系统 篇5

地埋管热泵系统是以土壤中储存的地热作为空调系统的冷热源来进行冷暖能量转换的空调系统。在全年制冷、供热周期内, 因建筑空调冷暖负荷需求量不等, 地埋管热泵系统在长期使用后, 深层土壤将不能与地表环境进行充分的热交换, 这就会导致土壤温度失衡, 影响下一个空调季地埋管换热器的换热效率, 进而影响地源热泵主机的制冷、制热量及效率。因此, 在本文中笔者将结合实际情况, 对在设计和使用过程中采用哪些方法才能避免或尽量减缓地热的不平衡, 并使系统处于一个高效的运行状态进行探究。

1 地源热泵系统简介

地源热泵是利用地下浅层地热能进行制冷、制热的高效节能空调系统, 它以地热能作为冷热源, 采用热泵机组, 通过输入少量的高品位能源 (电能) , 实现低品位热能向高品位热能的转移。

地源热泵系统工作原理是:夏季制冷时, 从房间内吸收热量, 通过地埋管换热器向土壤排放这些热量, 并储存在土壤中;冬季制热时, 通过地埋管换热器从土壤中吸收热量, 利用风机盘管向房间内释放热量, 以达到采暖效果。

2 土壤热失衡现象及其形成原因

在全年制冷、供热周期内, 因建筑空调冷暖负荷需求量不等, 地埋管热泵系统从土壤中吸收的冷热量也不等。土壤中多储存的冷热量会导致土壤的温度高于或低于土壤初始温度, 即出现土壤热失衡现象。理论上, 当地埋管夏季排放的热量和冬季吸收的热量大致相同时, 全年土壤温度就可以周期性变化, 地埋管就能正常工作, 整个系统也可长期持续稳定地运行。但在实际项目运行中, 因空气温度变化、空调使用率、空调使用时间等因素, 夏季系统向土壤中排放的热量和冬季吸收的热量相差较大, 这就导致土壤温度升高或降低。长期运行后, 热量堆积, 这就加剧了土壤热失衡。土壤热失衡现象在地源热泵系统设计中不容忽视, 它已经成为地埋管地源热泵技术推广的瓶颈, 虽然工程公司在不断改进项目技术, 但是热平衡问题解决得并不理想。导致土壤热失衡的原因有很多, 但主要有以下几个方面: (1) 建筑空调冷热负荷差异较大。首先, 地域不同气候条件也不同。我国幅员辽阔, 建筑热工分区可归纳为5个区域, 即夏热冬冷地区、温和地区、夏热冬暖地区、严寒地区和寒冷地区。大部分地区的建筑空调设计冷热负荷相差较大, 这是造成土壤热失衡的重要因素。其次, 在建筑负荷计算时, 有些设计师未能及时与使用单位沟通, 没有扣除不使用空调的房间, 导致计算负荷偏差较大, 这在无形中便加大了设置热平衡调节措施的容量及难度。 (2) 系统设计不具备辅助调节措施。许多设计师为了减少设计工作量, 就参照规范冷热平衡计算方法, 人为设置系统运行负荷率及时间, 而不设热平衡辅助调节措施。这样只是理论上计算了全年的土壤冷热平衡, 而实际上这种计算方法是不合理的, 因为设计人无法预知用户真实的使用习惯和使用规模, 就会导致计算有一定的偏差。所以, 系统设计不设置辅助调节措施, 是造成土壤热失衡的又一关键因素。 (3) 监控系统不完善。土壤热环境在地下, 我们看不见摸不着, 需要设置科学的监控系统, 为运行管理人员提供及时真实的运行数据, 为制定运行策略提供依据, 以指导下一阶段的运行模式, 从而做到对热平衡的准确预测及修正。 (4) 运行管理不当。在系统具备了上述软硬件条件下, 若运行管理人员素质不够或失职, 不能发现控制系统反映的土壤热失衡现象, 长期未启动辅助调节系统, 也会造成土壤热失衡。但因此产生的结果, 后期通过运行管理可以修复。

3 地源热泵的热平衡解决方案

在项目实践中, 常见的地源热泵热平衡预防控制措施及运行解决办法有: (1) 科学计算空调冷热负荷, 增加其他供热功能, 如生活热水、泳池加热等。 (2) 系统设计时, 优先考虑冷热平衡辅助调节措施。 (3) 完善监控系统。对土壤温度及机房冷热源能量进行监测, 宜设置自动控制系统。 (4) 加强技术交底及运行管理培训。

其中, 针对冷热平衡辅助调节措施, 笔者作了以下2方面的具体分析:

3.1 系统全年放热量小于吸热量

地源热泵系统全年向土壤的放热量小于吸热量, 长时间运行, 土壤温度就会逐渐下降, 导致地埋管换热器冬季的换热环境恶化, 表现为地埋管换热器出水温度下降, 即进入热泵机组的蒸发循环水温度降低, 从而影响热泵机组的制热效率以及运行的经济性。当进水温度过低导致热泵机组蒸发器出水温度低于4℃时, 机组就会因蒸发温度过低而自动停机保护。

为了保证系统的稳定性及经济性, 从设计时就应做好布局, 宜按照制冷负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备, 若所选热泵机组制热量不能满足总制热负荷需求, 应采用辅助热源加热的方式来补充。常见的辅助热源形式有城市热力、燃气锅炉、电锅炉蓄热、风冷热泵及太阳能光热等。从经济、环保的角度考虑, 宜优先采用风冷热泵、太阳能等清洁能源。下面以太阳能光热辅助进行举例说明:联合太阳能系统的运行方式包括串联运行和并联运行。在室外温度较高、热负荷较小的情况下, 太阳能和地源热泵系统就需要交替运行以维持稳定平衡的地热系统, 此时采用并联的运行方式;在室外温度很低、建筑热负荷量较大的情况下, 则采用串联的运行方式。

3.2 系统全年放热量大于吸热量

地源热泵系统全年向土壤的放热量大于吸热量, 长时间运行, 土壤温度就会逐渐升高, 导致地埋管换热器出水温度升高, 即进入热泵机组的冷凝器循环水温度升高, 从而影响热泵机组的制冷效率以及运行的经济性, 造成主机制冷量衰减。

此条件下, 系统宜按照制热负荷设计地埋管换热器、热泵机组以及附属设备, 若所选热泵机组制冷量不能满足总制冷负荷需求, 应采用辅助冷源的方式来补充。常见的辅助冷源形式有冷凝热回收装置提供热水辅助系统、冷却塔辅助系统、地表水辅助冷却系统等, 下面分别对其进行介绍: (1) 采用冷凝热回收装置提供热水辅助系统。该辅助系统易于充分发挥热泵机组热回收功能, 夏季制冷时免费回收冷凝余热, 制取生活热水或给泳池等加热, 能加大热泵系统取热负荷、延长使用时间, 缩小全年土壤的放热量与吸热量之差, 从而达到控制热平衡或减少辅助冷源装置投入的目的。 (2) 采用冷却塔辅助系统。冷却塔分为开式和闭式2种, 由于闭式冷却塔价格高于开式冷却塔好几倍, 因此开式冷却塔成为了首选。由于投资低、技术成熟、使用方便、设计简单, 目前多数地源热泵系统采用开式冷却塔作为辅助冷源, 但是冷却水水质问题往往被大家忽视。设计师习惯将开式冷却塔管道与闭式地埋管换热器管道直接连接, 利用监控系统切换电动阀门运行, 这就会导致开式冷却水中的悬浮物、铁锈等杂质混入地埋管换热系统, 从而造成地埋管水系统的污染。而污染水中的杂质极易沉积在垂直埋管底部, 引起管道堵塞、水流不畅、水力平衡失调, 进而导致垂直埋管换热器失效。 (3) 采用地表水辅助冷却系统。考虑到系统美观、节能等因素, 当有湖水、河水等地表水源条件时, 宜优先采用地表水作为辅助冷却水, 同时应严格按照《地表水环境质量标准》进行设计及排放水环境影响评价。

4 结语

目前, 地源热泵技术在国内发展速度较快, 作为一种新型技术, 我们必须控制好其设计、建设、运行管理的每个阶段, 深入研究建筑负荷特性, 充分考虑安全保障措施, 建立监控系统, 优化运行管理模式, 以确保该系统能科学、合理、良性地运行。

参考文献

[1]GB50366—2005地源热泵系统工程技术规范

[2]DGJ32/TJ89—2009地源热泵系统工程技术规程

地源热泵地埋管温度场研究分析 篇6

地源热泵是以地表能为热源, 通过输入少量的高品位能源, 实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。地源热泵属于可再生能源利用技术, 对能量的利用经济高效、无污染、运行费用低, 一直受到社会和科研技术领域的广泛关注。

地源热泵系统的关键是地下埋管换热器在土壤中的传热特性。由于地源热泵的制冷量或制热量依赖于地下埋管换热器与地下土壤的热量交换, 属复杂非稳态热、质交换过程, 只有真实模拟出地下埋管换热器的实际传热过程, 才能为工程设计提供准确的设计基础和依据, 确定合理的埋管换热器尺寸、埋管深度等, 设计出可靠的地源热泵系统, 在实际工程中取得良好的使用效果及经济效益。

2 数值模拟方法简介

既有的模型及模拟过程, 大多是关于单个地下埋管换热器的传热模拟, 且通常忽略了管群间耦合、地下渗流等因素的影响, 不能准确反映出管群及土壤温度场的变化。针对上述问题, 本文建立了以管群为研究对象的传热模型, 并对地下埋地换热器及其周围土壤温度场进行长期运行工况的模拟分析。通过建立地下埋管换热器管群及周围土壤温度场的数学模型, 利用FLUENT软件进行模拟计算, 分析了换热器循环水的进口温度、进口流速、地下渗流等因素对垂直U型地下埋管换热器换热性能的影响, 为合理设计地下埋管换热器系统提供依据[1,2]。

本文选取计算区域为10 m×10 m×80 m的土壤模型, 采用9 根DN32 垂直U形管, 管中心距离64 mm、埋管间距3 m、回填材料区域为直径0.2 m的圆柱体, 通过Gambit建立几何模型并划分网格。考虑土壤传热的复杂性及工程精度, 假定大地原始温度一致, 忽略了地表温度波动及U形管与土壤之间的接触热阻, 对模型进行了合理简化[3]。

3 地埋管温度场分析

通过模拟U形地下换热器管群在冬夏两季连续运行120 d的情况, 计算分析了U形管换热器出口水温、进出口温差、换热量及土壤温度场的变化等情况。

3.1 换热器循环水不同进口温度对地埋管换热的影响

3.1.1 夏季运行工况

分别模拟了夏季进口温度为306 K、308 K、310 K三种情况下地埋管出口水温及土壤温度变化, 运行结果如表1 所示。

由表1 可知, 随着换热器循环水的进口水温的增加, 进出口温差及土壤的平均温度随之增加。进口温度从306 K上升到310 K, 进出口温差增加0.51 K, 土壤平均温度增加1.47 K, 即换热器循环水进口温度每上升1 K, 每延米换热量增加6.7%。由此可得出, 在其他条件相同时, 换热器循环水的进口温度越大, 每延米换热量越大, 换热效果越好, 因此在工程设计中, 应在允许的范围内采用较高的循环水进口温度。

3.1.2 冬季运行工况

分别模拟了冬季进口温度为278 K、280 K、282 K三种情况下地埋管出口水温及土壤温度变化, 运行结果如表2 所示。

由表2 可知, 随着进口水温的增加, 出口温度及土壤的平均温度相应增加, 进出口温差随之降低。进口温度从278 K上升到282 K, 进出口温差降低0.52 K, 土壤平均温度增加1.47 K, 即换热器循环水进口温度每上升1 K, 每延米换热量下降7.7%。由此可知, 在其他条件相同时, 换热器循环水的进口温度越大, 每延米换热量越小, 换热效果越差。因此在工程设计中, 应在允许的范围内尽可能的采用较低的循环水进口温度。

3.2 换热器循环水不同进口速度对地埋管换热的影响

3.2.1 夏季运行工况

分别模拟了夏季循环水进口速度为0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s三种情况下地埋管出口水温及土壤温度变化, 运行结果如表3 所示。

由表3 可知, 夏季随着换热器循环水进口速度的增加, 出口温度随之增加, 每延米换热量不断增加, 进出口温差随之减小。进口速度从0.4 m/s上升到0.8 m/s, 进出口温差降低0.739 K, 土壤平均温度增加0.28 K。即换热器循环水进口速度每上升0.1 m/s, 每延米换热量增加1.1%。

3.2.2 冬季运行工况

分别模拟了冬季换热器循环水进口速度为0.4 m/s, 0.6 m/s, 0.8 m/s三种情况下地埋管出口水温及土壤温度变化, 运行结果如表4 所示。

由表4 可知, 冬季随着换热器循环水进口速度的增加, 每延米换热量随之增加, 出口温度及进出口温差随之降低。进口速度从0.4 m/s上升到0.8 m/s, 进出口温差降低0.48 K, 土壤平均温度降低0.18 K。即进口速度每上升0.1 m/s, 每延米换热量增加1.1%。

综上所述, 从每延米换热量的角度考虑, 流速的增大带来换热量的增加;但从循环水进出口温差的角度考虑, 流速较小一些更好。因此在工程设计中应综合考虑换热器循环水进口速度对换热量及循环水进出口温差的影响, 选择合理的换热器循环水进口流速。

3.3 地下渗流对地埋管换热的影响

在地源热泵系统的实际运行中, 不同的地质条件、土壤含水量及地下水的流动等因素都会对地下埋管换热器的传热性能起到重要影响。地埋管换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程。土壤中的传热不但有固体及液体介质的导热, 还有水渗流产生的对流换热。因此在模拟计算中, 在保证计算精度的前提下, 将有渗流时的地下埋管换热器的传热过程简化为导热和对流复合作用下的均匀多孔介质中的传热过程[4]。

计算中分别模拟了冬、夏季有渗流与无渗流两种情况下地埋管出口水温及土壤温度变化, 运行时间为120 d, 运行结果如表7、8 所示。

由表7 可知, 有渗流的地下埋管换热器的出口温度较低, 土壤平均温度变化小, 进出口温差和每延米换热量均大于其他条件相同时无渗流的情况。

由表8可知, 有渗流的地下埋管换热器的出口温度较高, 土壤平均温度变化小, 进出口温差和每延米换热量均大于其他条件相同时无渗流的情况。

由冬夏季模拟结果可知, 渗流的存在加强了地下埋管换热器的换热, 有利于地下埋管换热器的运行。

4 结论

利用软件对垂直U型地下埋管换热器管群传热性能以及周围土壤温度场进行模拟分析, 总结出了换热器循环水的进口温度、进口流速、地下渗流等因素对地下埋管换热器换热性能的影响, 为合理设计地源热泵地下埋管系统提供了参考数据, 为降低工程投资及运行费用提供了技术基础和依据。

摘要：地源热泵研究中的重点问题是地下埋管换热器在土壤中的传热过程, 在既有传热模型的基础上, 建立了地下埋管换热器管群及周围土壤温度场的数学模型, 利用FLUENT软件进行地下埋管换热器管群换热及土壤温度场的模拟, 分析总结换热器循环水的进口温度、进口流速、地下渗流等因素对地下埋管换热器换热性能的影响。

关键词：地源热泵,地埋管,土壤温度场

参考文献

[1]马最良, 吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[2]刁乃仁, 方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[3]刁乃仁, 曾和义, 方肇洪.竖直U型管地热换热器的准三维传热模型[J].热能动力工程, 2003, 18 (4) :387-390.

地源热泵地埋管单双U选择探讨 篇7

关键词：地源热泵,地下换热器,U形管,换热量,比较分析

1 引言

近几年随着暖通行业的发展, 地源热泵作为一种节能、环保的空调系统受到越来越多的关注和应用。其中竖直埋管的形式在我国的工程中应用较多。

竖直埋管一般有单U、双U两种形式, 每种形式又有DE32和DE25两种选择, 以上四种条件交叉组合是我国目前应用最多的地埋管配置形式。

随着计算机技术的发展, FLUENT软件作为建立数学模型和数值计算的工具在地源热泵的计算分析中得到了越来越多的应用, 文献[1]中通过对某30m埋深的U形管进行FLUENT建模分析得出“排热工况下, 埋深30m时, 单U形管换热器的单位井深换热量约为86W/m, 而双U形管换热器的单位井深换热量达到120W/m, 较单U形管高约40%”等结论。文献[2]采用FLUENT对某60m井深的U形管三维建模后得出“对外径25mm和32mm的单U形地埋管换热器及外径25mm的双U形地埋管换热器换热性能的模拟对比表明, 后两者换热量分别比前者提高了8%和22.4%”等结论。文献[3]同样采用FLUENT软件, 对某100m井深的U形管三维建模后得出“双U型换热器的换热性能不一定大于单U型换热器。当流量较小时, 双U型换热器支管间热短路现象比单U型换热器严重, 双U型换热器换热性能小于单U型换热器;随着流量的增大, 支管间热短路现象减轻, 双U型换热器的换热性能大于单U型换热器”等结论。

可见, 单、双U对地源热泵系统的影响没有特别简单统一的结论, 与项目的实际情况有很大的关系。同时以上这些结论都是在单井条件下进行的FLUENT建模分析, 而在实际项目中一般都是多井长时间联合运行的情况, 单、双U在多井长期运行的工况中对系统的影响也值得探讨。

本文以“上海佘山某别墅项目”为例, 分别对双U32、单U32、双U25及单U254种U形管配置下各年各月地下换热器进出水平均温度进行计算, 进而探讨适合本项目的最优的U形管配置方案。

2 项目简介

本项目位于上海市松江区佘山旅游度假区, 该别墅地上两层, 地下一层, 建筑高度7.45m, 总建筑面积830m2, 根据该项目岩土热物性测试结果, 当地岩土的初始温度为19℃, 岩土体的平均导热系数为2.1W/ (m·K) , 体积比热容为2100k J/ (m3·K) 。

进行地下换热器系统的设计前, 依据其建筑图纸, 结合别墅的使用特点, 通过DEST软件进行了建筑全年逐时负荷计算。空调负荷统计结果如表1所示。

供暖季从12月15日至转年2月15日, 供冷季从5月15日至10月15日止;系统冬、夏季季节综合能效比分别设定为3和3.5。冬季和夏季峰值单日连续运行时间分别设定为22.5h和16h。打井深度120m, 钻孔直径150mm, 回填材料导热系数2.1W/ (m·K) , U形管内部间距0.07m。地下换热器内的循环液为水, 井间距5m。地下换热器循环泵额定总设计流量为13.2m3/h。

U形管选用De32x3 (外径x壁厚) 和De25x2.3的HDPE管材, 形式可选单U或者双U, 以下简称U形管配置为单U32、双U32、单U25和双U25。

3 计算模型及设计软件简介

3.1 计算模型简介

在对单孔的地埋管换热器进行传热分析时, 常以钻孔壁为界, 把所涉及的空间区域划分为钻孔内和钻孔外的岩土部分两部分, 采用不用的简化假定进行分析[4]。其中钻孔内传热模型一般分为一维导热模型、二维导热模型和准三维导热模型, 而钻孔外的传热模型一般有无限长线热源模型、有限长线热源模型和有限长柱热源模型等。

3.2 地下换热器计算软件简介

本文使用瑞典隆德大学开发的EED2.0计算程序和北京天和集思开发的EHPD1.3计算程序进行计算分析。

EED2.0采用叠加原理方法的基本思路, 是欧洲地热协会的商用地源热泵地下换热器设计计算分析软件[5]。

EHPD1.3软件以有限长线热源理论为基础, 亦使用叠加原理的设计思路。

4 方案对比

4.1 打井16口的情况

首先, 使用EED2.0软件计算16口井4行4列矩形排列, 选用双U32时30年内各年各月的地下换热器进出水平均温度, 如表2所示。

从表2可以看到本项目冬季地下换热器水温较高, 远优于规范的要求, 夏季峰值负荷下的水温在前10年是合格的, 到第30年高达36.45℃, 超标较严重。

通过EHPD1.3程序, 也可以得到一组类似的数据, 表3为采用16口井4行4列排列选用单U32管时两软件的结果:

从表3可以看出, 两软件的计算结果非常接近。第十年夏季时, 单U32配置下的水温明显超标, 而冬季水温均明显满足规范要求, 本项目中不必过多关注冬季水温。下面为了文章的简洁, 直接给出采用不同U形管配置时两程序各年峰值最大值的计算结果。

16口井4行4列排列选用双U25及单U25管时的计算结果如表4所示。

对比表2、表3及表4的数据可以看出, 双U32夏季峰值水温最低, 后面依次是双U25、单U32及单U25, 其中双U配置下的水温均达标, 单U管配置下的水温均超标。表5列出了四种U形管配置下的雷诺数和流速, 可见其雷诺数都超过了2300, 即达到了紊流状态, 但双U32管的流速仅为0.23m/s, 为防止积气, 流速不应低于0.25m/s。故若本例选择16口井4行4列排列的形式, 选择双U25管是比较合适的。

4.2 打井15口的情况

为了解提高流速是否对本例有明显作用, 下面看一下15口井3行5列排列的情况, 由于总流量设置是恒定的, 井数减少就会导致单口井的流量增大, 流速对应增大。15口井四种U形管配置的计算结果见表4。

将表4与表2~表4的数据进行对比可以看出以下三点: (1) 15口井的情况下, 夏季进出水平均温度均比16口井的情况要差, 证明流速的提升无法抵消埋管长度减少的影响;第 (2) 15口井时, 第10年水温全线超标, 证明在其他参数不变的情况下, 本例选用15口井3行5列排列的方案不可行; (3) 本例中, De32管道对应的水温较De25管道差别很小, 无明显优势, 所以从成本考虑本例可以优先选择De25的地埋管。

4.3 打井17口的情况

为了搞清与16口井双U25配置时可以达到同样出水温度的其他配置效果, 表5中列了4种17口井单U25配置下的各年水温。从表5可以看到, 虽然都是17口井, 但由于井形排列形式的不同, 地下换热器各年进出水平均温度会有比较明显的差异, 因为井形行与列的乘积越大, 井群的相对占地面积就越大, 地埋管相互之间的影响就越小。井形排列对地下换热器出水温度的影响拟另撰文探讨, 不做本文的重点, 这里不再展开。

本例中我们比较关注的是与16口井4行4列排列最相近的4行5列梯形排列的形式, 由于EED2.0中内置的井形配置是固定的预设值, 没有梯形排列的形式, 所以表5中仅列出了EHPD1.

3该排列下的计算结果。

可以看到单U25管17口梯形排列的水温与双U25管16口配置的水温基本持平, 并略优于双U25管16口配置的情况, 所以可以认为此两个方案从技术上基本等价。

下面从经济方面进行简要的对比, De25的PE管道市场价大约是3.5元/m, 上海地区地下换热器系统除管道外打孔与安装的综合单价大约是51元/m (不含管材价格) , 则本项目选择双U25配置的总造价约为 (51+3.5x4) (元/m) x 110 (m) x 16 (口井) =114400 (元) , 而选择单U25配置的总造价约为 (51+3.5x2) (元/m) x 110 (m) x 17 (口井) =108460 (元) 。总体价格差距不大, 选择17口单U25井的总造价相对16口双U25井的配置略低5.2%。

4.4小结

本项目在打井位置够的情况下, 选择17口井单U25的配置从技术到成本均略优于16口井双U25的配置, 但差距不是十分明显, 可根据可打井位置、钻孔安装成本等实际情况选择;若打井位置足够, 可考虑地埋管相互影响更小的U形排列形式。

5 结语

本文介绍了一种实用的地源热泵地下换热器系统单双U选择的分析方法, 通过对上海某别墅案例的分析发现, 本文案例中地埋管双U25配置较单U25配置的换热效率不超过6% (16/17=0.9412) , 结合文献[1,2,3]的结论可以看出, 地源热泵地下换热器系统单双U的选择根据项目实际情况会有不同的结论, 具体项目中应采用切实可行的方法对该问题进行综合分析和选择, 达到技术和经济综合效能最优。

参考文献

[1]马健, 郑中援.单U形和双U形地埋管换热器传热模拟[J].暖通空调, 2012 (05) :108-112.

[2]张志鹏, 宋新南.单U型与双U型竖直土壤换热器换热性能的对比[J].太阳能学报, 2012 (07) :1193-1198.