地源热泵地下管群换热器设计施工问题

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1、地源热泵地下管群换热器设计施工问题日期:2005-4-2823:00:34来源:原创査看：［大中小］作者：未知热度：1787［摘要］阐述地源热泵地下管群换热器的常用型式、实验装置及其设计施工方法，并对建设造价和运行情况作了简单介绍。［关键词］地源热泵管群1概述地源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋入地下，与大地进行冷热交换。由于地源热泵具有可持续发展性，国内外近年来正在加强对它的系统研究。地源热泵原理如图1所示，埋入地下钻孔中的换热管一进-回形成回路与大地进行换热。夏热冬冷地区地温平均温度在15-20°C左右，通常冷凝器的夏季出水温度在35-40°C之

2、间，与岩土换热温差可达20-25°C。有利于提高制冷系数,而且不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境，造成对环境的损害。冬季运行时,冷凝器作为蒸发器，进行地下换热后蒸发器出水温度一般均高于室外气温，可显著提高供系数，不存在空气源热泵随气温下降供热系数显著减少及除霜等问题。地源热泵在于夏季利用冬季蓄存的冷量供冷同时蓄存热量，以备冬用；冬季利用夏季蓄存的热量供热，同时蓄存冷量，以备夏用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相同，冷暧负荷基本相当，可用同一地下埋管换热器实现建筑的冷暧联供，实属一种节能乂保护环境的绿色空调。笔者结合国家自然科学基金课题，在地下单管换热器的

3、实验基础上，建设一个8kw地源热泵的地下埋管管群换热器，目的在于研究地下岩土换热的全年动态特性，为地源热泵的设计与运行提供理论依据和可靠的基础数据。本文仅对地下管群换热器的设计及施工问题作一讨论。2埋管形式的确定换热器埋管形式一般有两种形式，即竖埋管和横埋管由于横埋管占地面积较大，且换热指标小于竖埋管，因此，在实验中，我们以竖埋管研究为主。竖埋管一般对分为U型管和套管型两种。其结构形式见图2。在前期的实验中，我们已经得到结果，套管型换热器热能力大于U型管换热器，因此，在管群实验中，我们以竖直套管型换热器作为主要研究对彖。迎水—1出水I图:！竖埋倉形式1换热器

4、管长计算及平面布置地源热泵实验基地地下管群换热器换热量为SOOOw,根据前期夏季的实验结果［1］，地下岩土为砂岩，经测试及查阅有关文献，砂岩密度2500kg/m3，导热系数X=2.04W/(m.K)导温系数a=0.0033m2/h,蓄热系数s=34.89W/(m.K),在埋深10m的情况下，单根套管换热器(外管直径90-100mm)在夏季稳定情况下的平均传热系数(其定义为换热器内水与大地初始温度每相差1°C时，通过长度lm的钻孔，每秒钟传递的热量)k=3.26W/(m.K)左右，经测试计算，地下l-10m重庆地区夏季的大地原始温度为21.0°C,换热器内进出

5、水温度取35-40°C,平均水温tp=37.5°C。则单位长度钻孔的换热量q二KXAt=3.14X(37.5-21.0)=51.8W/m。与实测值49w/m非常接近。由于夏热冬冷地区热泵设计应以夏季降温为主，兼顾冬季供暖，而一般地下管群的传热量冬季大于夏季，因此夏季能满足要求，冬季一般也能达到要求，故本装置按夏季工况设计。地下管群换热量根据如上实验结果，设计了15根埋深10m的套管，其换热量在7742W左右。另外，为了研究地下水平埋管换热器的换热规律还建设了两层3X4m，埋深2和lm的水平蛇形管换热器，其埋管长度为50m。任何形式的换热器都对换热器之间的距离

6、有一定的要求，这个距离主要是避免热短路。而具体确定这个距离要考虑多方而的影响因素，最重要的是确定换热器的运行时间对于竖埋管换热而言，换热模型是以埋管为中心的圆柱面辐射状向外传热，且这种传热是以时间为坐标的不稳定传热。前期实验我们己经对影响单根竖管的换热距离作了一定的研究，一般影响单管换热距离为1.5和3m。短时间和间歇运行的换热管间距在l・5m较适合，长时间连续运行的间距在3m较适合。为了研究不同间距对管群换热的影响该实验基地的埋管间距为1.5m，利用阀门的切换来研究不同间距对换热的影响。埋管对称布置，其平面如图3所示：>>Q6QSb地下爸群换热器平

7、西右3K1水环路系统设计研定平面布置后，即可进行水系统设计。对于每一支管沟的三个孔，由于管道水平距离较近，因此考虑为串联式，全系统有五组串联支路，五组串联支路之间采用并联形式，组成同程式管道系统，每组串联换热进出口均设截止阀与主管连接,以便单独对串联支路进行实验和调节。主管道安装在断面为400X500mm的主管沟里。蹿魏泸冷T的图」空内侧水系统连接图供水主管进入室内后接水泵，板式换热器和空调器，膨胀水箱置于室内，构成一个水-空气热泵系统。在竖直埋管换热器的水进入板式换热器之前，还设计了一个可进入地板下平行管的并联环路，以供冷热地板实验用。系统连接见图4。2主

8、要设备与管材选择(1)水泵系统水流量W二7742X0