第6章土壤源热泵系统设计

6.1

土壤源热泵系统的特点、形式和结构6.1.1土壤源热泵系统的特点6.1.2土壤源热泵系统的形式与结构返回首页6.1.1土壤源热泵系统的特点土壤源热泵系统以大地土壤作为热源或热汇，被称之为21世纪最具发展前途的供暖空调系统之一。系统主要由土壤热交换器系统、水源热泵机组、建筑物空调系统三部分组成，分别对应三个不同的环路。土壤源热泵的主要技术优势（一）地下土壤温度一年四季相对稳定（约为12～20℃），冬季比环境空气温度高，夏季比环境温度低，土壤这种温度特性使得该热泵比传统中央空调系统运行效率高出20～50%，节能效果明显；土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取的能量可分别在夏、冬季得到自然补偿，从而实现了冬、夏能量互补性冬季把土壤能作为热泵供暖的热源，即把高于环境温度的地能中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底于环境温度的土壤中。土壤源热泵的主要技术优势（二）当室外气温处于极端状态，用户对冷量或热量的需求一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度延迟和衰减效应，从而在耗电量相同的条件下，可以保持夏季供冷量或冬季供热量；土壤热交换器无需除霜，没有融霜除霜的能耗损失。土壤源热泵的主要技术优势（三）地下热交换器在地下静态的吸、放热，减小了土壤源热泵系统对地面空气的热、噪音污染；运行费用低。据美国国家环保署EPA估计，设计安装良好的土壤源热泵系统，可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。土壤源热泵的缺点土壤导热系数小而使土壤热交换器单位管长放热量仅为20～40W/m，一般为25W/m左右。当换热量较大时，土壤热交换器占地面积较大；土壤热交换器换热性能受土壤热物性参数的影响较大；初投资较高，仅土壤热交换器投资约占系统投资的20～30%。6.1.2土壤源热泵系统的形式与结构依据制冷剂管路与土壤换热方式的不同：间接式土壤源热泵系统直接膨胀式土壤源热泵系统间接式土壤源热泵系统，根据热交换器布置形式:水平埋管土壤源热泵系统垂直埋管土壤源热泵系统水平埋管方式的优点是在浅层软土地区造价较低，但传热性能受到外界空调季节气候一定程度的影响，而且占地面积较大。垂直土壤热交换器具有占地少、工作性能稳定等优点，已成为工程应用中的主导形式。6.2.1土壤换热器传热分析模型土壤热交换器的传热分析目的:保证在土壤源热泵整个生命周期中循环介质的温度都在设定的范围之内，根据这一目标选择土壤热交换器布置形式并确定埋管的总长度。在给定土壤热交换器布置形式和长度以及负荷的情况下，计算循环介质温度随时间的变化，并进而确定系统的性能系数和能耗，以便对系统进行能耗分析。关于土壤热交换器的传热问题分析求解，迄今为止国际上还没有普遍公认的唯一方法。现有的传热模型大体上可分为两大类:以热阻概念为基础的半经验性的解析解模型以计算传热学为基础的数值解模型6.2.2土壤换热器传热过程分析土壤热交换器与周围土壤中的传热过程实际上是一个通过多层介质的传热过程，具体由6个换热过程组成，从管内流体到周围土壤依次为：地埋管内对流换热过程、地埋管管壁的导热过程、地埋管外壁面与回填物之间的传热过程、回填物内部的导热过程、回填物与孔壁的传热过程、土壤的导热过程。这些传热过程是一个受到地下水渗流特性、土壤热物性、埋管几何结构及地埋管换热负荷变化等诸多因素影响的复杂过程。6.2.4土壤换热器传热的主要影响因素主要因素：土壤热交换器结构土壤的传热性能土壤热交换器换热负荷6.3土壤换热器设计计算6.3.1土壤换热器的计算特点6.3.2土壤换热器的设计步骤6.3.3土壤换热器的换热负荷计算6.3.4土壤换热器的容量计算6.3.5土壤换热器系统的水力计算返回首页6.3.1土壤换热器的计算特点土壤热交换器是埋管中的流体与周围土壤间的换热。是典型非稳态的过程。换热涉及的因素很多，既有时间上的长短不同，空间上区域变化很大，又有热交换器形式多种多样、地层结构及其热物性千差万别，还有热交换器的负荷随时间变化、多组管道之间的相互影响、土壤冻融的影响、地下水渗流的影响等。6.3.1土壤换热器的计算特点土壤热交换器的传热计算与一般换热器相比也有着显著的不同：土壤热交换器的传热系数和传热温差（循环介质的平均温度与其周围土壤温度的差）是随时间和空间而变化的；热交换器的结构布置和换热负荷对热交换能力有明显影响；6.3.2土壤换热器的设计步骤土壤源热泵系统的土壤热交换器设计步骤如下：确定建筑物的供热、制冷和热水供应（如果选用的话）的负荷，并根据所选择的建筑空调系统的特点确定热泵的型式和容量。确定土壤热交换器的布置形式。主要包括水平埋管、竖直埋管闭式循环以及串联、并联的管路连接形式。6.3.2土壤换热器的设计步骤选择热交换器管材。如果设计工况中热泵主机蒸发器出口的流体温度低于0℃，应选用适当的防冻液作为循环介质。合理设计分、集水器。根据所选择的土壤热交换器的类型及布置形式，设计计算土壤热交换器的管长。6.3.3土壤换热器的换热负荷计算设计负荷用以确定热泵的主机形式