土壤源热泵系统的设计方法

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1、土壤源热泵系统的设计方法摘要：本文主要介绍了土壤源热泵系统的设计方法和步骤，重点论述了地下热交换器的设计过程。并举例加以说明。关键词：土壤源热泵热交换器设计TheDesignpSystemAbstract:Inthispaperthedesignpsystemhavebeenintroduced.Thedesignoftheundergroundheatexchangerhasbeendiscussedindetails,andanexamplehasbeentakentoillustratetheprocessofth

2、edesign.KeypHeatexchangerDesign☆ShanghaiUniversityofEngineeringScience，China0引言　　随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统

3、和地表水热泵系统3种形式。　　土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。　　地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。　　地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。　　虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统

4、以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。　　1土壤源热泵系统设计的主要步骤　　（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算　　建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。　　冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式[2]计算：km以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明[4]：最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种（详见[1]），其中使

5、用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。2.1.2串联或并联　　地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。2.2选择管材　　一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统

6、中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。2.3确定管径　　在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求

7、相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下[1]。2.4确定竖井埋管管长　　地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。4.8校核管材承压能力上海夏季大气压力ｐ０＝100530Pa，水的密度ρ＝1000kg/m３，当地重力加速度

8、g＝9.8m/s2，高度差h＝50.5m重力作用静压ρgh＝494900Pa水泵扬程一半0.5ρh＝7.5mH2O＝73529Pa因此，管路最大压力ｐ＝ｐ０＋ρgh＋0.5ρh＝668959Pa（约0.7Mpa）聚乙烯PE63（SDR11）额定承压能力为1.0MPa，管材满足设计要求。5结论　　地源热泵系统在我国长江