热泵技术与应用 教学课件 作者 张昌 第6章 土壤源热泵系统设计.ppt

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1、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6.2土壤换热器的传热分析6.3土壤换热器设计计算6.4土壤换热器管材与循环介质6.5土壤换热器的施工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:地下土壤温度一年四季相对稳定（约为12～20℃），冬季比外界环境空气温度高，

2、夏季比环境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，土壤的这种温度特性使得土壤源热泵比传统空调系统运行效率高出约20～50%，因此节能效果明显。土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出的能量可分别在夏、冬季得到自然补偿，从而实现了冬、夏能量的互补性。土壤源热泵的主要技术优势:当室外气温处于极端状态时，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的延迟和衰减效应，从而在耗电量相同的条件下，可以保持夏季的供冷量或冬季的供热量。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: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

3、、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。从目前国内外的研究及实际使用情况来看，土壤源热泵的缺点主要表现在如下几个方面：土壤的导热系数小而使土壤热交换器的单位管长放热量仅为20～40W/m，一般为25W/m左右。因此，当换热量较大时，土壤热交换器的占地面积较大。土壤热交换器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。初投资较高，仅土壤热交换器的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

4、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土壤换热器的传热分析6.2.1土壤换热器传热分析模型6.2.2土壤换热器传热过程分析6.2.3土壤换热器传热计算方法6.2.4土壤换热器传热的主要影响因素返回首页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

5、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第一类模型通常都是以钻井壁为界将土壤热交换器传热区域分为两个区域。在钻井外部，由于埋管的深度都远远大于钻井的直径，因而埋管通常被看成是一个线热源或线热汇，这就是无限长线热源模型；或将钻井近似为一无限长的圆柱，在孔壁处有一恒定热流，钻井周围土壤同样被近

6、似为无限大的传热介质，这就是无限长圆柱模型。在钻井内部，包括回填材料，管壁和管内循环介质，与钻井外的传热过程相比较，由于其几何尺度和热容量要小得多，而且温度变化较为缓慢，因此在运行数小时后，通常可以按稳态传热过程来考虑其热阻。第二类方法以计算传热学为基础的数值解法传热模型，多采用有限元、有限差分法或有限体积法求解地下的温度响应并进行传热分析。6.2.2土壤换热器传热过程分析一般来说，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、

7、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。6.2.3土壤换热器传热计算方法1.土壤热交换器传热解析法分析在以半经验公式为主的这一类方法中，以国际地源热泵协会(IGSHPA)和美国供热制冷与空调工程师协会(ASHRAE)曾共同推荐的IGSHPA模型方法的影响最大，我国2005年制定的《地源热泵系统工程技术规范》中土壤热交换器的计算方法基本参考了