地源热泵换热器（精选7篇）
地源热泵换热器 篇1
摘要：结合地源热泵的工作原理,从钻孔、下管、灌浆封井、换热器安装及管道连接方面介绍了地源热泵地下换热器的操作方法,并总结归纳了操作的要点及难点,从而为地源热泵换热器系统节能工程的施工积累经验。
关键词：地源热泵,地下换热器,施工工艺,难点
地源热泵空调换热是一种利用含有大量能源的土壤(地下热)作为吸热或排热的热交换器,实现空气调节的系统,本工艺适用于地源热泵换热器系统节能工程施工。
1 工艺原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量(如电能)将吸取的全部热能(即电能+吸收的热能)一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂压缩至高温高压状态,从而达到吸收低温热源中热能的作用。
2 施工工艺
2.1 施工工艺流程
地源热泵地下换热器施工工艺流程见图1。
2.2 操作方法
1)钻孔。
钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。为保证钻孔施工完成后于孔壁保持完整,如果施工区地层土质比较好,可以采用裸孔钻进;如果是砂层,孔壁容易坍塌,则必须下套管。
2)下管。
下管必须保证下管的深度。下管采用人工下管或机械下管,下管前应将U形管与灌浆管捆绑在一起,在钻孔完毕后,立即进行下管施工。钻孔完毕后孔洞内有大量积水,由于水的浮力影响,将对放管造成一定的困难;而且由于水中含有大量的泥砂,泥砂沉积会减少L洞的有效深度。每钻完一孔,应及时把U形管放入,并采取防止上浮的固定措施。在安装过程中,应注意保持套管的内外管同轴度和U形管进出水管的距离。对于U形管换热器,可采用专用的弹簧把U形管的两个支管撑开,以减小两支管间的热量回流。下管完毕后要保证U形管露出地面。
3)灌浆封井。
灌浆封井即回填工序。在回填之前应对埋管进行试压,确认无泄漏现象后方可进行回填。回填物中不得有大粒径的颗粒,回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出,使混合浆自下而上回灌封井,确保回灌密实,无空腔,减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时,回填过程结束。
4)换热器安装及管道连接。
对于高密度聚乙烯(PE)管段和管件之间的连接都采用专用设备进行热熔焊接。对于埋深不大或场地允许时,应在地面把套管连接好,然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接,一定注意在活性胶干了之后才能使用。
2.3 操作要点和难点
2.3.1 施工难点
1)联络管防水处理。换热孔管道经水平联络管汇集,穿结构底板进入检查井内的分集水器,各个分集水器通过管道汇集,最终进入到机房内与热泵机组相连。2)施工中对基底的扰动问题。由于地埋管位于底板下,钻孔施工中的泥浆坑开挖、设备碾压、联络管管沟开挖等等均会破坏原状土,从而对基底产生扰动,见表1。
2.3.2 施工要点
1)一般规定。a.地埋管换热系统施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸,并完成施工组织设计。b.地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其他地下构筑物的功能及其准确位置,并应进行地面清理,铲除地面杂草、杂物和浮土,平整地面。2)施工工序。a.按照图纸要求开钻竖井。b.U形管换热器的制作。c.U形管换热器的第一次试验打压。d.下管。e.U形管换热器的第二次试验打压。f.回填。3)钻凿竖井施工工艺。a.在泥浆旋转钻孔方式中,应沿钻管内部送入高压水或泥浆,并沿着钻杆的外侧将钻屑送回地面。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面,在施工前应制订好排水措施,可顺地势挖出排水沟,并在沟的末端挖一个泥浆池,钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀,作为回填物使用。b.安装竖直埋管土壤热交换器需要竖直钻孔机械。根据地质条件可选用泥浆旋转钻孔机械。c.在保证设计埋管总长度的前提下,根据现场施工出现的特殊情况,如遇到坚硬的岩石层或泥砂层,可适当调整钻孔的位置、深度与数量。d.如出现土壤极不牢固的情况,宜采用空心杆螺旋钻机钻孔。钻孔时,空心螺旋钻杆可充当钻孔的保护套管。钻孔完成后,将钻杆底部的钻尖击落,从钻杆内部插入埋管,然后将钻杆拉出或旋出。e.当钻孔深度的增加对钻孔速度的降低和费用的增加影响不大时,钻孔深度宜增大。4)U形管换热器的制作。a.首先按照设计图纸的要求,使用专业的管剪截取相应的管道长度(U形管的单管长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的长度要求)。b.U形埋管换热器的U形弯管接头,宜选用定型的U形弯头成品管件热熔或电熔连接。也可以采用两个90°的弯头加短管对接的方式构成U形弯管接头,但应保证管件、管材接点符合设计、使用要求。c.连接完成的U形换热器管的两开口端部,在完成打压后,应及时密封。5)U形管道换热器的安装。a.等竖井孔壁固化后,应立即将焊接完毕、打压合格并注满清水的U形换热管道垂直的放入开钻完成的竖井内,下管时应注意保持管道与竖井的同心度,减少管材、管件与竖井管道的摩擦,U形管下部端头应设保护装置。b.下管结束后,应立即进行管道打压,确认无泄漏方可进行回填。c.打压合格后要对U形管两端口采取有效的临时封堵措施。6)回填工艺及下管工艺。a.钻孔深度及孔内地下水水位较浅时,宜采用人工下管。当下管较困难时,可采用机械下管。b.垂直土壤热交换器下管完成后应在12 h内用灌浆材料回灌封孔。灌浆应密实,无空腔。
3 结语
随着空调工业的发展,先进的中央空调系统不断的出现,空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。人们对空调的要求也不断提高,节能、环保、灵活成为今后共同追求的目标。近年来,随着国际经济技术合作的不断深入,地源热泵中央空调系统进入了我国,并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇,成为了我国中央空调发展的趋势,体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。
参考文献
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[4]SL 291-2003,水利水电工程钻探规程[S].
[5]JGJ 87-92,建筑工程地质钻探技术标准[S].
[6]JGJ 79-2002,建筑地基处理规程[S].
地源热泵换热器 篇2
地源热泵空调及热水系统具有节能环保的优点，在国外已得到较为广泛的应用，技术逐渐成熟。目前，我国地源热泵技术实际工程的应用不多，影响地源热泵技术推广的主要原因是缺乏较完备的基础资料及设计规范。
地源热泵系统，按热源形式可分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源地源热泵系统[1]。在这三种形式中效果最好的是地下水地源热泵系统，但受地下水资源使用条件的限制，不能广泛的使用；地表水地源热泵系统换热效果较好，但受地域限制很大，应用不广泛；因此目前国内外所谈及的一般均指土壤源地源热泵系统[2]。
国内地源热泵系统在工程中的应用逐渐增多。但由于其应用具有很强的地域特点，所需地下换热器数量又较多，因此，地源热泵系统在某种层面上又不具有普遍使用性，所以，应根据不同的气候、地理、工程条件设计不同的地源热泵系统。地热换热器是地源热泵空调系统设计的关键，地热换热器设计的优劣直接关系到地源热泵空调系统的经济性和运行的可靠性，因此对其进行优化设计十分必要。
1 设计时需简化的问题及换热计算公式
1.1 换热计算中几个问题的简化处理
(1)沿垂直方向，不同地质结构，分别计算换热。(2)进出口温差，沿垂直方向，根据地质结构不同分段，确定热交换温度。(3)冬夏季进出口初始设计温度，按最不利情况考虑。(4)埋管距离，按3m<H<5m考虑。
1.2 单井换热量的计算公式[3]
1.2.1 传热介质与U形管内壁的对流换热热阻计算公式：
式中：Rf为传热介质与U形管壁的对流换热热阻，m·K/W;di为U形管的内径，m;K为U形管内壁的对流换热系数，W/（m2·K）;
1.2.2 U形管管壁热阻计算公式：
式中：Rpe为U形管管壁热阻，m·K/W；λp为PE管的导热系数，W/（m2·K）;d0为U形管外径，m;di为U形管内径，m;de为U形管当量直径，m；对单U管，n=2；双U管，n=4。
1.2.3 钻孔灌浆回填材料的热阻计算公式：
式中：Rb为钻孔灌浆回填材料的热阻，m·K/W；λb为灌浆材料导热系数，W/（m2·K）;db为钻孔的直径，m。
1.2.4 地层热阻计算公式
讨论单个钻孔，计算公式为：
对于多个钻孔
其中：Rs为地层热阻，m·K/W;I为指数积分公式；λs为岩土层的平均导热系数，W/（m2·K）;a为岩土体的热扩散率，m2/s;rb为钻孔半径，m；τ为运行时间，s;xi为第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离。
1.2.5 单个孔的传热量计算公式：
式中：Q为单孔的传量，W;Ri为各个地层的总热阻，m·K/W;Li为各个地层的长度，m；Δt为各个地层的平均温度与各地层管内平均温度的差值；i为各地层号。
2 地埋管换热器形式
目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种，即水平埋管和垂直埋管两种形式。
2.1 水平埋管换热器[4]
水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法。单层管最佳深度0.8m∽1.0m，双层管1.2m∽1.9m，均应埋在当地冰冻线以下。
2.1.1 水平埋管换热器的缺点
由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时占用场地大。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况，用于冬夏冷暖联供的场合很少。
2.2 垂直埋管换热器
根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31∽80m）和深埋（≥80m）。目前使用最多的是U形管、套管和单管式换热器。
2.2.1 U形管安装在钻孔内，一般钻孔直径为100mm∽150mm,深10m∽200m,U形管径一般在准50mm以下。由于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等优点，目前应用最多。
2.2.2 套管式换热器的外管直径一般为100mm∽200mm，内管径为准15mm∽25mm。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，其换热效率较U形管提高16.7%[5]。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比U形管高。套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于≤30m的竖埋直管，对于中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。
2.2.3 单管型在国外常称为“热井”，它主要指地下水热泵系统。一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源及国家有关政策及法规限制大。
2.3 两种埋管换热器形式的优缺点比较
对于浅层埋管的优点可以概括为：投资少，成本低，钻机要求不高，由于受地面影响较大，一般地下岩土冬夏热平衡较好。它的缺点是要占用很大的场地面积，与较多的管路接头，相比于中、深埋管的情况，其换热效率不高。
深层埋管的优点有以下几方面：(1)不过多的占用场地面积；(2)有较高的换热效率；(3)有较少的管路接头。其缺点是：(1)需要很大的成本，投资高；(2)应使用高承压的管材；(3)要有较高性能的钻机。因为在深层岩土中的温度几乎不受到地面的影响，所以，要注意炎热季节排热量以及寒冷季节吸热量保持均匀。要不就会影响到地源热泵长时间的使用。在实际的工程中，我们还要依据场地的大小、当地岩土的种类和成本来确定使用水平式还是垂直式埋管（一般适用于有限的场地面积的时候）。如果场地面积很大，而且没有很硬的岩石，相对经济的是采用水平式埋管，若使用布管机进行多管布置还能够减少场地的占用面积。如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔但是成本较高。
2.4 埋管换热器深度
关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质、工程的具体情况、场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况进行综合考虑。其中有几点应考虑到：(1)使用钻60m以内的钻机的成本少，费用低，如果>60m，则钻机成本较高；(2)井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0M Pa）塑料管，如深度>80m，需采用高承压塑料管，其成本增加；(3)50m深的钻孔造价比100m的要低30%∽50%[6]。
3 地下埋管系统环路方式[7]
3.1 串联方式和并联方式
首先，在串联方式中，钻空间只有一个流通通路。串联方式的优点有：(1)管内贮存的空气相对容易排出；(2)在串联系统中，通常要使用直径大的管子，其单位长度埋管换热量要比并联方式稍大。其缺点有：(1)串联方式本身的安装成本就大，在加上要使用直径大的管子，成本会更高；(2)因为管子直径较大，在寒冷地区，在其系统内需要注入大量的诸如乙二醇水溶液等的防冻液。(3)管路的系统不应该过长，要不就会损耗过多的系统阻力。其次，在并联方式中，井（管沟)的数量和流通通路的数量是相同的。并联方式相对于串联方式有以下三个优点：(1)需要较少的防冻液；(2)能够用较小直径的管子，因此可以节约成本；(3)较低的安装成本。它的缺点也有三个：(1)为了能够充分地排出空气，在安装的过程中，一定要注意保证有较高的流体流速；(2)为了确保各个并联回路中有一样的流量，应保持每一个管道长度相同；(3)为了确保每一个支管出口压力一致，需要保证各个支管的进口压力一致。采用较大直径的管子做集管，能够满足本目的。鉴于国内外的实践工程，并联方式多用在中、深埋管，串联方式大多使用浅埋管。
3.2 同程式和异程式
依据每个钻孔环路以及总管的的设置方式，有同程式系统（流体在每个埋管的流程一致，所以每个埋管都有相对均衡的流体流量、换热量以及流动阻力）和异程式系统（经过每个埋管的路程不一样，所以其阻力不一样，造成分配给各埋管的流体流量不均匀，进而导致换热量的换热效果不好）。
因为地下环路不容易布置调节阀或者平衡阀，也不容易将系统中的每环路满足水利平衡的要求，所以，在工程实践当中，大多使用的是同程式。
4 埋管换热器材料
对于地下埋管系统，我们很难对其进行维护，所以地下所使用的管材要主要具备耐腐蚀性的特征。上世纪六十年代之前，地下埋管大多采用金属管，虽其有良好的传热效果，但有较强的腐蚀性，容易被损坏，很大程度上影响了地源热泵系统的使用时间，所以，也给发展地源热泵行业带来了障碍。七十年代，涌现出一些具有良好的耐腐蚀性的管材，使得地源热泵行业在此发展。聚乙烯与聚丁烯管以其两哈的柔韧性和较高的强度，获得了普遍的应用。我们在地源热泵系统中不建议使用聚氯乙烯管，因为它的导热性能不好而且可塑性也很差。为了增强地下埋管的换热，国外提出使用不锈钢钢管（其薄壁为0.5mm），然而当前应用的还很少。
5 结论
要做到地热换热器的最优化设计，首先应精确计算换热器传热量和埋管孔数，其次根据工程现场的具体情况选择合理的埋管方式和环路方式，最后根据当地土壤的特性选择最合适的管材。
摘要：为优化地热换热器的设计,本文介绍了换热器传热量及埋管孔数的计算公式,并对地热换热器埋管方式及环路进行了分析,阐明了地热换热器设计时应考虑的主要问题。最后分析比较了各种管材的特性,指出适合地埋管的管材。
关键词：地源热泵,地热换热器,设计计算
参考文献
[1]ASHRAE.Commercial/Institutional Ground Source HeatPumpEngineering Manual[M].1995.
[2]丁勇,卢军等.地源热泵系统地下埋管换热器设计(1)[J].暖通空调,2005.3(35):86-88.
[3]陆耀庆主编.实用供热空调设计手册(第二版)(下册)[M].2008.
[4]Commercial/Institutional Ground-Source HeatPump Engineeringanual1995 American Society of Heating Refrigerating andConditioningEngineers,Ice[Z].
[5]王勇,刘宪英等.地源热泵及地下蓄能系统的实验研究[J].暖通空调,2003.3(35):21-23.
[6]丁勇,李百战等.地源热泵系统地下换热器设计讨论[J].建设与设计,2005.12.
地源热泵换热器 篇3
美国于1946年最早开始对地下换热器进行研究, 国内起步较晚, 现有的地源热泵设计方法大都基于美国和欧洲对地下换热器的实验研究。从1998年开始, 国内数家大学分别建立了地源热泵实验台, 重点研究地下换热器。地下换热器的取热过程主要热阻是土壤, 取热管的材料种类对取热量大小影响不大, 据国外文献研究表明:最佳的回填材料是将在钻孔过程中所排出的地层土或岩石进行对应回填, 以获得与地层相一致的导热性能。但是无论空气钻进还是泥浆钻进, 对地层中土或岩石都会造成不同程度的影响。为提高地下换热器的换热能力, 在膨润土中加入不同比例的组分形成增强性水泥浆回填材料, 其导热系数可达1.5~2.1W/ (m K) , 比传统的膨润土泥浆要高出约20%。因此采用高效回填材料来提高换热器的换热能力非常必要。本文首先对地下换热器的形式进行探讨, 通过实验手段重点研究两类回填材料, 力图减小地下换热器的热短路, 提高地下换热器的换热能力。
一、换热器
地下换热器的结构如图1所示 (以单U型为例) , 地下换热器换热管材料一般为聚乙烯、聚丁烯或高密度聚乙烯材料, 对于回填材料应根据不同的大地条件选择不同类型的材料进行回填, 循环介质一般是水, 乙二醇等。制冷工况下工作过程为:从热泵中流出的较高温的循环介质流入换热器, 高温的循环介质在U型管中通过换热管与较低温的回填材料和大地进行换热, 通过换热后温度降低, 变成较低温的循环介质, 经回路流回热泵, 反复如此进行循环, 达到制冷的目的;供暖工况与之相反。
地下换热器形式按下管的不同类型大体分为3种:单U型, 双U型, 1+2型。根据不同的工况要求和当地的水文地质条件, 合理设计地下换热器的形式, 是降低地源热泵初投资的方法之一。
二、回填材料的优化
通常回填材料可以用与地层相近的材料, 如膨润土、水泥、砂等充填、夯实即可, 但是地下换热器的换热性能与地区地质条件密切相关, 因此不能一概而论。描述回填材料物理性质的基本参数包括密度、含水率、空隙比、饱和度、比热容及导热系数等, 除地质条件中地下水对换热器性能影响重大外, 其中导热系数是最关键的, 也是决定系统效率高低的主要因素。
实验采用QTM型瞬态导热仪测试, 其原理是基于平板探针法, 它利用电脉冲测试导热系数, 采用线热方法计算导热率, 属非稳态法。测定时, 将探针放在待测材料表面, 恒定流通过传热线, 在1min内探针被加热21~60e, 仪器自动计算并显示其导热率。为了寻求更经济、高效的回填材料, 实验测试了两类回填材料的配方:一种是在膨润土中掺入少量其它物质;另一种是以水泥、砂为基料。
膨润土与水泥直接混合, 成型后可塑性强, 但膨润土自身具有吸水膨胀性。试块在24h后, 由于失水, 试块严重收缩并出现大量裂缝。此时导热系数无法测量。在实际工程应用中, 如在较干旱的地区不宜直接用作回填材料, 但在地下水较丰富地区, 由于地下水的迁移, 对换热非常有利, 可以采用。通过计算可以看出, 导热系数随着含砂率的增加而增加。这是由于石英砂导热系数高, 热阻低, 渗透性好, 但是对回填材料的可泵性有一定的影响, 含量过高增加泵的磨损。
水泥、砂由于水泥含有大量矿物成分, 而砂的主要成分为Si O2, 故实验针对三种水灰比 (0.5、0.45和0.4) 以水泥和砂作为基料进行实验。
通过计算得出, 回填土的导热系数随着含砂率的增加而增加, 但是增长速度逐渐趋于平缓。进行导热系数的测量时发现, 随着砂置换率的增加, 导热系数也随之增大, 当超过60%左右时, 增长趋势并不明显。考虑到施工时的可泵性, 故砂置换率不能过高, 以60%~80%为佳。
在砂中加入少量的膨润土, 添加膨润土的用量可以增加导热性, 并能改善回填材料的可泵性。但是膨润土吸水膨胀, 故不能过量, 实验得出加入量不宜超过5%。
对于回填材料的优化, 应将理论分析与实践工程相结合进行深入研究, 最终找到高效、经济的回填材料。
三、热短路
热短路现象是造成地下换热器热损失的一个重要原因。地下换热器的管与管之间相互有热影响, 通常采用钻孔内热阻来反映其影响情况。钻孔内的热阻与钻孔内各支管相互间的热阻大小、钻孔深浅、循环流体质量流率及其比热大小有关。
图2为对称布置的双U型管换热器横截面示意图, 钻孔直径110mm, 钻孔深度80m, U型管支管外径30mm, 循环液比热为4186.8J/ (kg K) (纯水) , 循环液质量流率为0.3kg/s, 岩土导热系数为1.5W/ (m K) , 钻孔回填材料的导热系数为1.0W/ (m K) 。当U型管半宽D为39mm时钻孔热阻为0.064 (m K) /W, 当各支管相互靠紧时, 即当半宽D为22.6mm时, 钻孔热阻可达0.139 (m . K) /W, 后者是前者的2.17倍。可见, U型管在钻孔内的配置状况对于地下换热器钻孔内热阻有相当大的影响。
为了在施工中保证把钻孔内热阻降为最低, 目前通常采用人工下管。下管前, 将灌浆管与U型管捆绑在一起, 并加上定位器 (此时定位器处于压缩状态) 。捆绑既要保证每根管竖直不能弯曲, 又要防止灌浆管灌浆过程中提升困难, U型管头部需设防护装置, 防止在下管过程中损伤。在施工过程中, 由于孔内情况复杂, 下管时可能遇到很大的阻力, 应在U型管内充满水, 增加自重, 减少下管过程中的浮力。并辅以扶正机构, 通过加力杠杆下管, 当U型管下到底部后, 打开定位器, 这时定位器会尽量分开U型管, 保证管间距离最大, 从而减少钻孔内热阻, 提高换热器性能。
四、结论
通过提高地下换热器换热能力减少地源热泵埋管的长度, 从而减少初投资, 是提高地源热泵市场竞争力的关键技术。因地制宜地选择地下换热器形式, 采用高效、稳定的回填材料和最大限度地减少热短路是提高换热器换热性能的必要途径。
(1) 地下换热器形式通常有单U型, 双U型, 1+2型三种, 应根据具体的要求和当地的水文地质条件进行合理选择和设计。
(2) 对两类回填材料进行了室内实验, 对实际工程具有理论的指导意义, 下一步工作应与具体的工程实践相结合进行深入的研究。
地源热泵换热器 篇4
随着全球性能源危机的愈发加剧和环境的不断恶化, 建筑节能和环保成为了世界各国的两大主题。浅层地热能作为一种可再生能源和清洁能源代表被日益关注[1]。我国作为能源大国, 加上地热资源丰富, 给地源热泵的发展提供了良机。“十二五”期间, 国家加大了对地源热泵技术应用的推广力度[2]。
获取准确的土壤换热性能是地源热泵设计的关键任务。《地源热泵系统工程技术规范》[3]明文规定在设计地埋管地源热泵系统方案之前, 对所在地岩土体地质条件 (包括岩土体热物性) 的勘探是必不可少。由于地下情况复杂多变, 仅仅依靠简化模型计算会导致误差过大, 虽然经验估计值在方案分析阶段有一定的参考意义, 但无法给地源热泵系统的设计提供依据。以前通常从钻孔中取得的岩土样本来测定岩土热物性参数, 在实验室可以用热物性测试仪器直接测得, 但由于采集后的试样相对原来地下时状态发生了变化, 例如含水量、孔隙比等, 测得的结果对工程实际的误差较大。为了改进这种测试方法的不足, 就采用了现场直接岩土热响应测试。对地源热泵场地进行热响应测试, 可以获得完整和准确的土壤数据。参考美国地源热泵地埋管换热器的应用状况, 总结其设计尺寸通常均超出实际的10%~30%, 且土壤热物性参数10%的偏差可导致设计钻孔深度5%的误差[4]。热物性参数的准确与否, 关系到系统设计的精确性和系统的投资预算。因此, 为保证地源热泵系统准确的设计, 土壤热物性测试是必不可少的。同时, 也为该地的地源热泵系统提供工程设计数据支持。
1 概况
1.1 工程概况
测试孔场地地貌是低山丘陵区。通过对场地的地质勘探。场地地下3 m以上主要为含圆砾粉质粘土;3.0 m以下为基岩, 岩性为凝灰岩, 属硬质岩类。
1.2 水文条件
根据赋存形式及含水介质, 本场地地下水类型主要有松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙潜水主要赋存于含圆砾粉质粘土中。水量不大, 水量、水位随季节性降水量、气候变化而变化。基岩裂隙水主要赋存于全~中风化基岩裂隙中, 根据现场施工情况, 基岩裂隙中水量尚可。
1.3 测试井参数
本次试验共有2个测试孔S1, S2。相关参数详见表1。
2 现场测试装置及基本原理和方法
2.1 测试装置
测试仪由数据采集系统、冷热源、循环系统三大部分组成, 如图1所示。
数据采集系统主要由PT100铂电阻温度传感器、高精度涡轮流量传感器组成, 微机系统定时采集进出口循环介质的温度数据, 并即时存入存储器;冷热源主要根据工况需要分为加热和制冷装置, 使保温水箱中的循环介质获得一定的温度。
循环装置主要由水泵 (功率0.91 k W) 、循环管道、流量计等组成, 且保证流速不小于0.2 m/s, 使循环介质处于紊流状态。
本次现场测试系统采用的岩土热物性测试系统如图2所示, 通过连接管与地埋管构成循环系统, 温度和流量传感器均连接于测试平台内, 并由测试仪器自动记录相关数据。循环介质的流量和加热功率可以根据设计需要人工设定。
2.2 测试过程
通过连接管与地埋管构成循环系统, 通过注水管向测试系统中注水。把系统中的空气排尽后启动循环泵, 当流速趋于稳定后, 开启电加热器, 保持加热功率不变, 直至回路中进出口温度基本恒定, 测试采用计算机数据采集, 定时采集定时存储。记录仪自动记录进出水温度、循环水流量等测试相关数据。
2.3 现场测试装置基本原理
目前常见的地埋管换热器传热模型基础主要有分析解法和数值解法, 分析解法建立的基础有线热源法和柱热源法。本测试所采用的参数估算法就是以线热源法模型建立的。其对传热过程的假设如下:1) 钻孔周围岩土分布是均匀的;2) 埋管与周围岩土传热视为二维非稳态传热过程, 其可以看做以钻孔为中心的一根线热源与周围土壤换热 (因为钻孔孔径比较小, 一般在0.10 m~0.20 m之间, 而钻孔深度一般大于50 m, 钻孔深度比钻孔直径大得多) , 沿深度方向传热量忽略不计;3) 埋管与周围岩土换热强度保持不变 (通过控制加热功率来完成) 。
由无限长线热源模型可知, τ时刻钻孔周围的温度分布为[5]:
其中, 指数积分函数;ql为线热源单位长度热负荷;r为圆柱坐标系中的径向坐标;λs为岩土的导热系数;ρs为岩土密度;cs为岩土比热容;t0为τ=0时周围岩土的初始温度。
令tf为地热换热器内循环流体平均温度;Ro为地热换热器孔内热阻;tb为钻孔壁处的温度。由此可知:ql= (tf-tb) /Ro。根据式 (1) 可得出循环介质平均温度与岩土初始温度 (无穷远处岩土温度) 之间的关系为:
其中, rb为钻孔半径。未知量有:钻孔内总热阻Ro, 钻孔附近岩土平均导热系数λs, 容积比热容ρscs。且可将ρscs看做一个变量, 为岩土体积比热容。以此为自变量对tf求偏导数得:
式 (3) 中, 体积比热容ρscs的量级是105, 而rb的量级是10-1, λs的数量级是1, 当τ较大时 (数小时) , 式中分母约为1, 而分母数量级为106。显然ρscs的变化情况对tf几乎没有影响。用同样的方法推出Ro和λs影响却不能忽略。
根据传热反向问题求解, 以最优化方法来获得Ro和λs。在求解时, 把ρscs视为一定值 (如200 000 W·s/ (m3·K) ) 。由于求解后结果对该值来说影响不大, 无须反复迭代修改估算值的偏差, 由此问题就成为Ro和λs双参数估计问题[6]。
3 测试成果及数据分析
1) 各测试孔测试参数。现场热响应试验孔测试参数见表2。
2) 岩土体原始平均温度。测试孔原始低温测量采用无功率循环方式获得, 经测试该场地原始低温为19.0℃。
3) 测量温度与模型计算温度对比曲线图。由计算机数据采集的记录数据, 得到进回水温度对比曲线见图3, 图4, 进回水平均温度与模拟计算值对比图见图5, 图6。
4) 测试成果及测试数据分析。对各测试孔在制冷工况下获取的数据, 用前面所介绍的测试原理对测得数据进行处理, 测试成果参考值详见表3, 其中岩土体热阻为本次测试时间下的数据, 每延米换热量为特定工况下的数据, 仅供设计参考。
从表3可以看出, 本场地岩土体综合导热系数较大, 分析原因除了基岩本身硬度较高外, 基岩裂隙水的存在也大大提高了其导热性能。
4 结语
1) 地下岩土热物性是设计地源热泵系统的重要参数, 基于线热源热响应测试原理, 建立了一套地下岩土热物性现场热响应测试装置, 分析了测试装置的流程。2) 利用现场热响应测试装置对某地源热泵测试孔进行测试, 获得了所在地土壤初始温度为19℃, 地下岩土导热系数为2.8 W/ (m·K) , 钻孔内热阻为0.103 m·K/m。3) 地埋管换热器换热效率的影响因素较多, 应加强在地埋管地源热泵施工过程中地埋管施工质量的控制。
摘要：通过对某地源热泵现场测试孔的热物性测试, 由热响应测试仪器测得现场埋置岩土中U形换热器循环介质的进出水温度、流量等相关参数, 并利用线热源模型计算了岩土综合导热系数、钻孔内热阻相关参数, 为该地区地源热泵系统设计提供正确的设计参数。
关键词：热响应测试,岩土热物性参数,地源热泵
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[5]贾力, 方肇洪, 钱兴华.高等传热学[M].北京:高等教育出版社, 2003.
地源热泵换热器 篇5
桩埋管技术的传热性能优于普通沙石, 且力学性能良好。近几年桩埋管技术的研究和应用逐渐引起了重视。2007年, 北京工业大学环境与能源工程学院仲智、唐志伟等就桩埋管地源热泵地下换热器的施工问题进行了研究[1]。唐志伟、李若中等通过对桩埋管地下换热器施工工艺的理论研究以及对实际工程的测试, 指出桩埋管要比普通沙石提高33%左右 [2,3]。李魁山、张旭等对桩基式土壤源热泵换热器换热性能及土壤温升、研究[4], 得出W型埋管性能优于其他形式的结论。2008、2009年, 同济大学暖通空调及燃气研究所刘俊、张旭等对桩基与钻孔地源热泵传热性能进行对比, 进一步说明了桩基埋管技术的优越性[5,6]。鉴于以上优点, 桩埋管地源热泵技术的应用是可再生能源利用的新亮点, 解决其设计、施工过程的关键问题是当务之急。
1 桩埋管地源热泵技术应用存在的关键问题
目前, 桩埋管地源热泵技术应用还是存在一定的问题:①对桩埋管技术还缺乏系统性、理论性的研究, 尤其是桩埋管换热器的设计计算问题, 是制约其应用的关键环节;②建设者对桩埋管地源热泵的经济性还缺乏了解。
2 桩埋管换热器的设计计算
在桩埋管换热器中, 常用的是W型和U型两种, U型又分为单U型、并联双U型和并联三U型, 所以, 借助现有资料主要对W型、单U型、并联双U型和并联三U型的换热特性进行分析。
2.1 桩埋管换热性能的设计计算
桩埋管换热器中的传热过程是三维非稳态的传热, 影响因素非常复杂, 很难用简单的公式加以描述和概括, 因此在实际工程中广泛采用以半经验公式为主的设计计算方法。这类半经验方法的概念相对简单明了, 比较容易为工程技术人员接受。在国际地源热泵协会《IGSHPA》和美国供热制冷和空调工程师协会 (ASHRAE) 曾共同推荐的美国俄克拉荷马州立大学 (0klahoma State University) 提议的方法[7,8]基础上, 提出适用于不同类型桩埋管换热器的半经验计算公式。如图1所示各种桩埋管布置形式, 提出适用于W型、单U型、并联双U型和并联三U型的桩埋管换热器的半经验公式计算方法, 主要用于确定的桩埋管换热器的传热性能, 进而计算桩埋管换热器所需的长度。要点如下:
(1) 确定桩埋管的平面布置并计算岩土的传热热阻。设计者必须先根据土建资料中桩的布置情况确定管群的布置形式及其间距。该方法定义单个桩基埋管换热器的岩土热阻为:
undefined
式中, undefined是指数积分;rb是桩基半径, α和ks分别是岩土的平均热扩散率和热导率, τ是运行的时间, 按1 500 h计算。文献[7,8]给出按以上定义的指数积分的近似计算公式为:
对于0≤X≤1
I (X) =0.5[-lnX2-0.57721566+0.99999193X2-0.024991055X4+0.05519968X6-0.00975004 X8+0.00107857X10]
对于X≥1
undefined
式中
A=X8+8.5733287X6+18.059017X4+8.637609X2
+0.2677737
B=X8+9.5733223X6+25.6329561X4+21.0996531X2+3.9684969
对于多个竖直的桩埋管换热器, 该方法定义岩土的热阻为:
undefined
式中, I (Xrb) /2πks是桩基埋管周围岩土本身引起的热阻, I (XSDirb) /2πks分别是与所考虑的桩基的距离为SDi的桩基中的埋管对该桩埋管的热干扰引起的热阻。
(2) 对于桩基内的热阻, 包括混凝土热阻和U埋管管壁热阻, 该方法采用一维简化模型, 即把桩基内的埋管假想为一根“当量管”, 桩基混凝土假想为包裹在当量管外壁的“混凝土套管”。当量管的外半径为:
undefined
式中, n是钻孔中埋管的根数, 对于单U形管n=2;对于并联双U形管和W形管n=4;对于并联3U管n=6。
管壁的传热热阻为:
undefined
式中 do—管子的外径;
di—管子的内径;
de—当量管的外径;
kp—管壁的热导率;
A′—修正系数, 修正钢筋笼对管壁的肋扩展作用, 单U取0.95;并联双U管取0.8;W管取0.85;并联3U管取0.7。
“混凝土套管”的内径为“当量管”的外径, 根据无限长圆柱传热理论, “混凝土套管”的热阻为:
undefined
式中 dco— “混凝土套管”的外径;
dci—“混凝土套管”的内径;
kc—“混凝土套管”的热导率;
A″—修正U型管沿桩基圆周分布的热阻减小因素, 单U取1;并联双U管取0.5;W管取0.75;并联3U管取0.4。其中W型因串联流程换热对热阻有所增加, 所以A′修正系数比双U的大。
(3) 桩埋管换热总热阻为:
R=Rp+Rc+Rs (6)
(4) 确定热泵的最高和最低进水温度, 计算供热和供冷的运行份额。推荐供热工况时最低进水温度值比当地最低气温高16～22 ℃ , 国标GB50366-2005推荐取-2～5 ℃, 宁波地区可取5 ℃;推荐供冷工况的最高进水温度一般为37 ℃, 宁波地区可考虑高达38 ℃。根据选定的最高和最低进水温度和选用的热泵, 可以确定热泵的制冷量、制热量以及制冷和制热的性能系数COPc和COPH。
供热和供冷的运行份额由式 (7) 、式 (8) 确定:
undefined
(5) 计算桩基埋管换热器埋管总长度。根据以上计算得到的数据, 可以分别计算满足供热和供冷所需的桩基埋管换热器的桩基总长度:
undefined
式中 H—供热;
C—供冷;
L—桩基的长度;
CAP—热泵在设计进水温度下的额定出力 (制热或制冷量) ;
COP—热泵的性能系数;
F—运行分额;
Rp、RC和Rs—分别是PE管壁的热阻、混凝土套管的热阻和岩土的热阻;
T∞-地下未受干扰时的平均温度;
Tmax和Tmin-最高和最低进水温度。
为同时满足供热和供冷的需要, 应采用LH和LC中的较大者作为设计桩基总长度。
2.2 桩埋管换热性能计算公式的验证
为了验证提出的桩埋管换热性能的计算公式有效, 将该公式的计算结果与参考文献[8]的实验结果进行比较。
2.2.1 计算和测试的初始条件和边界条件
为了将结果进行比较, 计算采用文献[6]中确定的边界条件和初始条件。①初始条件:土壤的初始温度为18.2 ℃;②桩埋管的间距为4 m, 桩基深度为25 m, 桩基直径600 mm;③PE管直径25 mm, 内径20 mm。PE管入口:实验温度为进水温度tin=35 ℃;计算采用国家标准tin=37 ℃;④土壤垂直及上部边界:假定绝热;⑤连续运行时间每天8～9 h, 每种类型管子实际测试天数:单U管和三U并联管15天, 双U并联管和W型管连续测试12天。相关物性参数见表 1。
2.2.2 计算结果和试验结果的比较
文献[6]对3U埋管形式的地源热泵桩埋管传热性能进行了实验研究, 其验结果和利用半经验公式的几结果如表2所示。
将计算结果与文献中的实验结果绘制成如图2所示柱状图。由图可知, 利用半经验公式对桩埋管换热性能的计算结果与文献中的实验结果误差都在10%以内, 说明桩埋管换热性能的半经验公式模型有效、实用。
3 桩埋管技术的经济性分析
桩埋管技术是利用桩基施工同时进行地埋管, 节省了钻孔费用, 弥补了地源热泵技术增加埋管费用的不足。结合某地源热泵项目对桩埋管地源热泵技术与普通地埋管技术进行经济性比较。
该地源热泵项目采用单U管和双U管混合使用, 单U管和双U管型号分别为PE32和 PE25, 设计地埋管总长度1 225 m, 深度75 m, 埋管井15口, 深度50 m埋管井两口。施工单位对地埋管部分的预算报价如表3所示。
如采用桩基埋管, 可省去钻孔费和钻孔回填费用, 增加埋管人工费, 其预算报价如表4所示。
比较表3和表4, 桩埋管比普通井埋管节省费用29 325元, 占井埋管费用的42%, 如果地质为岩石, 钻孔费用达120元/m, 采用桩埋管, 造价约降156 885元, 占井埋管费用的80%。因此, 综合考虑各种工况, 采用桩埋管技术可以降低埋管系统的费用近50%。
4 结 论
桩埋管技术的传热性能优于普通沙石, 且力学性能良好。和其他埋管方式相比, 桩埋管热泵系统节省了埋管占地面积, 提高了地源热泵的换热性能, 且具有良好的经济性, 有效地解决其他埋管形式在应用中的瓶颈, 再进一步解决了桩埋管换热器设计问题, 桩埋管地源热泵技术必将成为地源热泵技术的发展方向。
摘要：能源与环境污染问题是当今世界各国面临的重大社会问题。地源热泵作为一种高效率、绿色环保的热水、取暖和制冷系统也得到了设备各界的大力推广。随着技术的不断更新与成熟, 桩埋管地源热泵成为现在我国地源热泵的主要发展方向。本文对桩埋管技术进行经济性分析, 并提出不同形式桩基埋管换热器的半经验计算公式。
关键词：桩埋管地源热泵,换热器,半经验计算公式,经济性
参考文献
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土壤源热泵换热器施工工艺分析 篇6
1工程概况
晋瑞苑小区建筑面积21.2万m2,除住宅地下室外,所有地下车库下面共布置土壤源换热器1 125口井,每口井的深度是110 m～130 m。所有土壤源换热器通过水平埋管通向位于物业楼地下室的地源热泵机房,机房内地源热泵机组取(放)热后,通过小区外网向全小区供热(冷)。
2工艺原理
热泵是一种利用高位能使热量从低位能源转移到高位能源的机械装置。土壤源热泵是利用大地作为热源进行热交换的新型中央空调技术。
土壤源热泵利用土壤一年四季温度稳定的特点,冬季把浅层土壤能作为热泵供暖的热源,即把高于室外环境温度的土壤能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把土壤能作为空调的冷源,即把室内的热能取出来释放到低于室外环境温度的土壤中。
通常土壤源热泵消耗1 kW的电能,用户可以得到4 kW左右的热量或冷量,从而达到节能的目的,而且在系统运行过程中,不产生任何有害物质,实现了环保的功效。
3施工工艺流程及操作要点
3.1 工艺流程
工艺流程为:钻孔→下竖向管→井管试压→回填料→挖管沟→水平管施工→干管敷设→支干管连接阀部件安装→管道试压→管道回填→底板上主管道安装。
地源热泵技术地埋管示意图和单组地埋管连接示意图见图1,图2。
3.2 操作要点
3.2.1 钻孔施工
1)按照施工图,结合甲方给定的定位坐标点,对钻孔位置进行放线定位,每个井位点撒白灰并结合木桩做标识,合理排定施工顺序。
2)钻进达到要求深度后,报质检员查验钻孔深度和孔径,在下管程序没有准备好以前不能过早提起钻具,并且必须保证泥浆循环。
3.2.2 竖向管施工
1)下管准备。a.PE管运到现场下管前,首先由质检员检验管材合格证、规格型号,并抽检管径大小、壁厚及外观检查后再进行下一步工作。b.双U形的接头采用电熔连接方法在工厂进行,熔接由管材厂家的专业人员用专业设备按操作规范连接。每个U形接头熔接成功后,进行清洗再进行打压试验,打压1.6 MPa并观测1 h以上,不泄漏为合格;出具合格证后方可出厂。c.现场清洗试压:下管前先用干净的自来水冲洗,然后试压。试压采用手动试压泵,试验压力为1.6 MPa,带压观测15 min以上,不渗不漏无破裂,压力下降不超过3%即为合格。试压完毕,每组双U形换热管管头必须立即密封。 d.安装管卡:为保证换热管尽可能贴近孔壁,避免换热管之间的短路传热,需在3 m～4 m的间隔安装管卡。管卡现场组装,安装一定要牢固,经现场质检员检查无误后开始下管。
2)下管。a.将试压合格后的管道卸掉压力表,将管口密封后,在满水状态下插入钻孔,通过下管器匀速下入,下管后为防止上浮,可先回填一部分回填料。b.下入换热管后,为检验在下管过程中是否有管壁划伤破损,进行二次试压,试验压力为0.6 MPa,带压观察30 min以上,不渗不漏无破裂,压力下降不超过3%即为合格,可以进行下一道工序;如压力下降,则将换热管拖出后换新管重新埋入。c.打压合格后,把所有管头再次密封保压进行填砂。换热管与钻孔之间回填砂直至地面,填料时要求由四周缓慢填入,填砂的同时间断性地向孔内注水,确保孔内砂料尽可能的密实。
3)填料。由于本项目地层为粘土和细砂层,结合测试报告中各种回填料的换热量情况,工程中采用原浆回填,在完成1个孔后,进行下一个孔钻孔时,让循环泥浆经过上一个已下管的成孔内,泥浆循环中的沉淀物会汇集在上一个孔内,表层不能填满部分采用细砂填密实。细砂回填时结合灌水作业,分多次回填密实。
4)区域全部钻孔完成,连接联络管前,进行第三次试压,试压标准同第二次,目的是防止有孔打穿渗漏现象发生,全部合格后可接入水平管系统。
3.2.3 水平管施工工艺
1)土方开挖与运输。
由于本工程土方量较大,采用机械挖土配合人工清理,基底清运覆土时同时开挖管沟,地埋管施工人员密切配合,防止超挖。
2)基地清理。
a.机械开挖时留10 cm土层采用人工清理,保证底部平整并不得扰动天然地基。b.基地清理的土方随覆土一同清运走。
3)水平管安装。
a.管道预制:联络管采用PE管材,根据图纸尺寸,进行管道放样预制。断管采用专用工具,防止出现管头不齐、有飞刺等现象。b.支管连接:管沟开挖后,开始连接支管。支管为D32全部电熔连接,管道和九通之间尽量保证直接相接,不采用弯头,减少阻力和漏点。c.支管安装:将预制好的管道放入管沟,按事先编码顺序排放。管道连接方式电熔连接,水平管一端甩至二级集分水器。d.在管道运输过程中注意端口的保护,防止砂土进入管内。连接时注意供、回水管分开施工,防止混接;在管道连接时,首先用干净的毛巾将管头内外擦拭干净,确保管道连接的严密性,防止杂物进入管内。e.每个环路连接完成后,将直管段部分用回填土覆盖压住,接头处明露以便检查渗漏,在管口进行环路第4次打压,在0.6 MPa试验压力下,稳压30 min,压力降不大于3%,且无泄漏现象为合格。
4)压力试验。
a.在水平埋管和二级集分水器连接完毕后,做第5次打压准备。进行水压试验时试验压力0.6 MPa,30 min内降压不超过3%为合格。b.机房一级集分水器和10个区域主干管全部连接完毕后进行第6次试压,试验压力0.6 MPa稳压12 h,稳压后压力降不大于3%为合格。c.试验合格后进行管道冲洗,从供水管接入干净自来水,回水管排出,连续冲洗,直到出水口水色和进水口一致为合格。
5)管沟回填。
a.回填时管底15 cm至管顶30 cm用细砂回填,先回填管道两侧,采用人工夯填,逐层夯实密实。管顶部30 cm内不能直接打夯,回填第二步时采用平板振捣器夯实。b.每步回填土不超过30 cm厚,分层振捣密实后再填下一层。c.回填至基础褥垫层底平面。
6)底板上主管道安装。
待底板完成,具备施工条件后,二级集分水器安装,待顶板完成,室外管网区具备施工条件后,进行主管道施工。
4注意事项
1)地源热泵系统方案设计前,应进行工程场地状况调查,并对浅层地热能资源进行勘察。
2)为解决泥浆坑渗漏问题,首先预留1 m覆土,同时泥浆坑内铺设塑料布和彩条布两道措施进一步防止渗漏。
3)基础下的管沟开挖后造成对基地原状土的破坏,施工中采取管沟回填细砂工艺,细砂和原状土面齐平,回填密实。
4)由于地埋管位于基础下,管道穿越底板时采用柔性防水套管进行底板防水。
5)地埋管换热器安装完成后,应在埋管区域做出标志或标明管线的定位带,并应采用两个现场的永久目标进行定位。
6)地埋管换热器安装位置应远离水井及室外排水设施,并宜靠近机房或以机房为中心位置。
7)水平地埋管换热器安装时,应防止石块等重物撞击管身。回填料应细小、松散,且不应含石块与土块。
8)地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。
5结语
晋瑞苑小区占地面积80亩,建筑面积21.2万m2,共建设8栋住宅楼,建设地下立体停车位1 300个,是我省单体面积最大的采用土壤源热泵技术项目。项目实现了20万m2建筑物的供暖、供冷、供生活热水三联供,每年可节约标准煤1 200 t,减少排放二氧化硫26 t、二氧化碳3 200 t、氮氧化物13 t,符合绿色施工要求。
该项目由于具有显著的环境效益和社会效益,因此被山西省人民政府列入2009年全省152个重点工程,同时经过国家住建部、财政部的严格遴选,成为全国12个国家支持的节能减排项目之一。
现竣工投入使用以来,运转正常,满足全小区冬季采暖、夏季制冷及全年提供生活热水需求。
参考文献
[1]GB50366-2005,地源热泵系统工程技术规范[S].
地源热泵换热器 篇7
关键词：污水源热泵,金属换热器,塑料换热器
1 污水源热泵系统概述
污水源热泵是一种水源热泵。水源热泵的优点是水的热容量大、设备传热性能好、水温较稳定。城市污水是一种优良的引人注目的低温余热源, 在整个采暖期间, 水温波动不是很大, 是理想的热源。常用的污水包括各种处理过的和未处理过的生活废水、工业废水、工业和电力生产过程的冷却水、制冷厂的冷却水。
根据国务院2000年36号文件, 2010年城市排水管道普及率和城市污水处理率分别达到90%和60%, 城市污水排放总量为464×108m3/d, 城市污水二级处理将增加6157×104m3/d。如何利用城市污水中蕴藏的巨大热量, 在国内外均得到广泛重视, 热泵技术是利用污水热量的重要手段。污水源热泵系统常用的换热器形式有沉浸式、壳管式和板式换热器。
2 传统换热器在污水源热泵应用中存在的主要问题
原生污水在作为热源/热汇的利用中存在问题主要由污水本身复杂的水质造成的, 而塑料与金属材料相比在原生污水中应用有显著优势。
2.1 堵塞
原生污水中的杂质按其粒径大小和存在形态, 可分为三大类:第一类是溶解质和胶体, 其稳定均匀分布;第二类是固体微粒, 只有在湍流时才能够稳定均匀分布;第三类是大尺度固体杂物。其中大尺寸固体可以在换热前用格栅拦等除去;固体颗粒等可以在换热器前设置自动筛滤器等装置;溶解质和胶体等会附着设备表面形成污垢甚至堵塞。
2.2 结垢
结垢是污水源热泵的换热装置在运行中需要解决的重要问题, 结垢涉及到复杂的物理及化学过程。采用塑料材料制作污水源热泵的换热装置, 对于相关的物理过程产生的污垢来说, 因塑料材料表面张力低而不易黏附;对于相关化学过程产生的污垢来说, 可以针对污水水质选择合适的塑料材料, 与金属材料相比, 可以大幅减少化学反应污垢。如聚四氟乙烯 (PTFE) 、可溶性聚四氟乙烯 (PFA) 、聚全氟乙丙烯 (FEP) 等材料, 热泵换热装置工作的温度条件下, 上述材料几乎与任何物质发生反应。
塑料材料热膨胀系数较大, 因而有自洁效果, 基本不用除垢。即使需要除垢, 也可采用价格低廉的酸洗, 操作成本也大大低于金属换热器。
2.3 腐蚀
腐蚀与结垢往往是相互促进的过程, 塑料换热器不易结垢的特点也说明耐腐蚀性相对金属换热器有所提高。此外, 主要的腐蚀作用如:电化学腐蚀、点蚀等均不会在塑料材料中发生。塑料换热器的耐腐蚀特性是显而易见的。
在污水源热泵系统采用适当材料的塑料换热器可大大提高抗结垢, 耐腐蚀能力, 从而降低运行管理费用, 提高系统工作稳定性, 通过以上分析, 可以发现合理设计的塑料换热器有望解决如上所述相关问题。
3 塑料换热器分类及分析
3.1 聚丙烯换热器
不易结垢, 在冷却水系统和腐蚀控制工程得到广泛应用。在室温下, 几乎不溶于任何有机溶剂, 但高温下芳香烃或氯化烃对其有溶胀作用, 通常使用温度控制在80℃以下, 最高工作温度110~120℃。聚丙烯换热器耐腐蚀, 40%的硫酸和盐酸、浓磷酸、碱或盐溶液等对其都没有破化作用, 但不适用于强氧化剂。
聚丙烯换热器应用的主要障碍在于聚丙烯材料导热系数, 其导热系数只有金属材料的百分之一。
3.2 增强型聚丙烯换热器
其应用不如聚丙烯换热器广泛, 采用短玻璃纤维作为加强材料, 其材料的抗拉材料可以提高到100MPa左右, 使用寿命大大优于石墨换热器, 但造价却低于石墨换热器。但增强型聚丙烯换热器加工性能差, 耐碱性低于普通聚丙烯换热器。
3.3 石墨改进型聚丙烯换热
器融合了石墨导热系数高的特点 (石墨导热系数为) 和两种材料优异的耐腐蚀性能。石墨含量越高, 导热系数越大, 膨胀系数越小, 但拉伸强度和焊接性能也随之降低。其工作温度范围为-10~120℃;工作压力一般不高于0.3MPa。其加工性能优于氟塑料换热器, 价格低廉;导热系数优于一般的聚丙烯换热器。但融合石墨后, 焊接强度大大降低, 在使用中因温度应力作用常会发生焊口破裂等问题, 不易加工大面积的换热装置。
3.4 氟塑料换热器
氟塑料属于化学惰性材料, 除了能与熔融的碱金属和强的氟化介质及高温的氢氧化钠反应外, 基本对所有常用的化学品和溶剂都呈惰性, 几乎能在任何介质中工作。因此, 采用以氟塑料为主要材料制成的氟塑料换热器也具有良好的化学稳定性和优异的耐腐蚀性能。
氟塑料材料本身表面张力低而不易黏附、质地柔软、热膨胀系数较大、很低的摩擦系数而有自洁效果, 经测试采用氟塑料材料制成的单根管子的抗弯曲疲劳性和耐冲击强度性指标高。人们将若干根氟塑料管子与氟塑料管板 (或与折流板、隔板、定位止推环) 经特殊的工艺加工形成换热元件, 成为氟塑料换热器最重要的组成部分。换热元件采用非刚性固定在壳体或器壁上, 因此具有较大的挠曲性。工作时管壁两侧流体流动的速度使得呈挠曲性的换热元件激烈抖动, 同时工作温度的变化也使得换热元件沿轴向和径向方向伸缩, 结果是将管壁表面沉积形成的污物、垢层或消除或减少, 增加了流体湍动, 进而提高传热系数。
氟塑料换热器体积小结构十分紧凑。其单位体积的换热面积大于金属及其它非金属换热器的换热面积, 相同换热面积的氟塑料换热器重量远轻于金属及其它非金属换热器的重量。此外氟塑料换热器具有很强的温度适应能力, 可以在-150~260℃范围内长期使用。
氟塑料换热器的设计与制造在国内前者尚没形成系统的规范, 设计者一般是凭借制造厂家的介绍选择氟塑料换热器的传热系数或换热面积。后者达不到美国杜邦公司“蜂窝状”结构的制造水平。虽某些制造厂家订有企业标准, 但国内开发的两种氟塑料管板与管子连接工艺与国外的制造工艺相比, 虽具有工装简单, 操作容易和工艺流程短等优点, 但劳动生产率低, 工艺操作难以机械化、管板材料消耗多, 使得氟塑料换热器价格高昂, 影响其推广应用。尽管目前氟塑料换热器设计与制造与国外水平相比存在以上差距, 但国产氟塑料换热器在苛刻的化工单元操作条件下, 满足设计和生产要求且好用, 这已是不争的事实, 其潜在的能力更为人们重视。所以对氟塑料换热器的设计与制造都有待于人们更深层次的研究与开发。
参考文献
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