土壤源热泵系统设计方法步骤

1、地源热泵系统的设计方法步骤匿名的简介：随着我国建筑业的不断发展，对建筑节能的要求越来越高。供暖系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分。因此，努力降低这两种成分的能耗具有重要意义。地源热泵供暖空调系统是一种高效、节能、环保的可再生能源系统。冬天，热量通过吸收地球的能量供应给建筑物，包括土壤、井水、湖泊和其他天然气能量。在夏天，热量被释放到地球上给建筑物降温。相应地，地源热泵系统可分为三种类型：地源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统。关键词：地源热泵系统，地下换热器土壤源热泵系统的核心是土壤耦合换热器。地下水热泵系统分为开式和闭式：开式是将地下水直接供给热泵机组，然后将井水回灌到地面；封闭式

2、是将地下水连接到板式热交换器，需要二次热交换。地表水热泵系统类似于地源热泵系统。由并联在水下的塑料管组成的地下水换热器用来代替地下换热器。虽然与地源热泵系统相比，利用地下水和地表水的热泵系统具有良好的换热性能、较低的能耗和较高的性能系数，但由于地下水和地表水并非随处可得，水质可能不符合要求，其应用范围受到限制。国外(如美国和欧洲)对地源热泵系统的主要研究和应用以及我国的理论和实验研究都集中在地源热泵系统上。目前，缺乏系统设计数据和更具体的设计指导。本文对此进行了初步探讨，以供参考。1地源热泵系统设计的主要步骤(1)冬夏季建筑冷热负荷及地下换热计算建筑冷热负荷的计算方法与常规空调系统相同。请参考

3、相关空调系统设计手册，此处不再重复。冬夏季地下热交换是指夏季排放到土壤中的热量和冬季从土壤中吸收的热量。可通过以下公式计算2:千瓦(1)千瓦(2)其中Q1的是夏季排放到土壤中的热量，千瓦Q1夏季设计总冷却负荷，千瓦Q2 冬季从土壤中吸收的热量，千瓦Q2冬季设计总热负荷，千瓦COP1设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2设计工况下水源热泵机组的制热系数总的来说，水源热泵机组的产品样本给出了不同进出口水温下的制冷量、制热量、制冷系数和制热系数。设计条件下的COP1和COP2应从计算样本中选择。如果样本中没有要求的设计条件，可以使用插值法进行计算。(2)地下换热器的设计这部分是地源热泵系统设计的核

4、心内容，主要包括地下换热器形式和管道的选择、管径、管道长度、竖井数量和间距的确定、管道阻力的计算和泵的选择等。(将在下面详细描述)(3)其他地下换热器的设计2.1选择热交换器的形式2.1.1水平(水平)或垂直(垂直)根据现场勘测结果，考虑到现场的可用表面积、当地土壤类型和钻井成本，确定换热器应垂直或水平布置。虽然水平布置通常为浅埋管道，可人工开挖，且初期投资一般较低，但其换热性能远小于垂直埋管，且受可用土地面积的限制。因此，垂直埋管在实际工程中普遍使用。根据埋管方式的不同，垂直埋管大致有三种类型：(1)U型埋管地下换热器中流体流动有两种回路形式：串联和并联。串联系统具有较大的管径和较高的管道成

5、本，长度的压降特性限制了系统的容量。平行系统的管道直径更小，管道成本更低，并且通常安排在同一程序中。当各并联回路之间的流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统容量。因此，实际工程一般采用并联和同一个程序。结合上述情况，通常采用单个U形管并联在同一通道的换热器。2.2管道的选择一般来说，一旦热交换器埋在地下，几乎不可能修理或更换它，这就要求埋管的化学性能稳定和耐腐蚀。传统空调系统中使用的金属管道在这方面存在严重缺陷，需要埋在地下的管道数量很大，因此价格较低的管道应优先考虑。因此，塑料管通常用于地源热泵系统。目前，最常用的是聚乙烯和聚丁烯管。它们可以弯曲或热熔形成更坚固的形状，可以使用5

6、0多年。然而，聚氯乙烯管道不容易弯曲，接头处耐压性差，这可能容易导致泄漏。因此，不推荐用于地下埋管系统。2.3确定管道直径在实际工程中，确定管道直径必须满足两个要求：2: (1)管道应足够大，以保持最小的传输功率；(2)管道应足够小，以保持管道中的湍流，从而确保流体和管道内壁之间的热传递。显然，上述两个要求是矛盾的，需要综合考虑。通常，小管径用于平行环路，大管径用于总管。地下换热器埋管常用的管径为20毫米、25毫米、32毫米、40毫米和50毫米。管内流速控制在1.22米/秒以下。管径较大的管道，管内流速控制在2.44米/秒以下，或各管段压力损失控制在4毫水柱/100米当量长度以下1。2.4确定

7、竖井埋管长度除了已确定的系统布局和管道，地下换热器长度的确定还需要当地的土壤技术数据，如地下温度、传热系数等。文献2介绍了一种计算方法，它由九个步骤组成，非常复杂，有些数据不易获得。在实际工程中，管道的“换热能力”可以用来计算管道长度。热交换能力是每单位垂直埋管深度或每单位管道长度的热交换能力。垂直埋管一般为70 110瓦/米(井深)，或35 55瓦/米(管长)，水平埋管约为20 40瓦/米(管长)3。热交换能力的下限值，即35W/m(管长度)，可在设计时采用。具体计算公式如下：(3)其中Q1 竖井埋管长度，mL 夏季土壤热，千瓦分母“35”是夏季每米管道长度的散热量，W/m2.5确定轴的数量

8、和间距在国外，竖井深度大多为50 100米2。设计者可以在此范围内选择轴深h，并将其代入以下公式计算轴数：(4)其中，N轴总数为L竖井埋管总长度，mH井深，m分母“2”考虑到竖井中埋管的长度大约等于竖井深度的2倍。然后四舍五入计算结果。如果计算结果太大，可以增加井深，但不能太深，否则钻井和安装成本将大大增加。井距信息指出，U型管井的水平间距一般为4.5m3。也有DN25 U型管轴水平间距为6m的例子，而DN20 U型管轴水平间距为3m4。如果采用串联，可采用三角形布置(见2)，以节省占地面积。2.6管道压力损失的计算在同一行程系统中，压力损失最大的热泵机组所在的回路被选为最不利的回路根据以上计

9、算得到的最不利回路的管道压力损失，加上热泵机组、平衡阀等设备部件的压力损失，确定水泵的扬程时，应考虑一定的安全裕度。根据总系统流量和泵头，选择满足要求的泵的类型和数量。2.8检查管道的承压能力管道的最大压力应小于管道的承载能力。如果排除竖井灌浆引起的静压偏移，管道承受的最大压力等于大气压力、重力静压和泵扬程的一半之和1，即：p管道的最大压力，帕p0建筑所处的当地大气压力，帕地下埋管中的流体密度，kg/m3G 局部重力加速度，m/s2H地下埋管最低点与封闭循环系统最高点之间的高度差，mh泵升程，Pa其他的3.1与常规空调系统相似，有必要在封闭循环系统上方最高点(一般为1米)设计膨胀罐或膨胀罐、排

10、气阀和其他附件。3.2在一些商业或公共建筑的地源热泵系统中，系统的制冷量远大于供热，导致地下换热器巨大且价格昂贵。为节省投资或受可用土地面积限制，地下埋管可根据设计供暖条件下的最大吸热能力进行设计，并增加辅助换热装置(如冷却塔板式换热器、板式换热器主要使建筑物内回路独立于冷却塔运行)来承担冷却条件下超过地下埋管换热能力的部分散热能力。该方法可以降低安装成本，保证地源热泵系统具有较大的市场前景，尤其适用于改造项目1。4设计示例4.1设计参数上海某综合楼空调面积为212m2。4.1.1室外设计参数夏季室外干球温度tw=34，湿球温度ts=28.2冬季室外干球温度tw=-4，相对湿度=75%4.1.

11、2室内设计参数夏季室内温度总氮=27，相对湿度 n=55%冬季室内温度总氮=20，相对湿度 n=45%4.2空调负荷计算及主要设备选择参照常规空调建筑的冷热负荷计算方法，计算各房间的冷热负荷，选择风机盘管机组型号。考虑到房间分摊系数(0.8)，建筑的总设计冷负荷夏季为24.54千瓦，冬季为16.38千瓦。选择两台WPWD072水源热泵机组。在设计示例中，COP 1=3.3，COP2=3.7。4.3地下荷载的计算根据公式(1)和(2)计算的千瓦设计计算采用夏季排放到土壤中的热量Q1。4.4确定管道和埋地管道的管径选择聚乙烯管PE63(SDR11)。平行回路的直径为DN20，集管的直径分别为DN2

12、5、DN32、DN40和DN50，如图1所示。4.5确定竖井埋管长度根据公式(3)计算4.6确定轴的数量和间距选择50m的井深，并根据公式(4)计算四舍五入后，取10个立井，立井间距为4.5m.4.7计算埋地管道的压力损失参照第2.6条介绍的计算方法，分别计算1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-11-1 各段的压力损失，各段的总压力损失为40千帕。再加上连接热泵机组的管道的压力损失以及热泵机组、平衡阀等设备部件的压力损失，所选水泵的扬程为15mH2O。4.8检查管道的承压能力上海夏季大气压力P0=Pa，水密度=1000 kg/m3，局部重力加速度g=9.8米/S2，高差h=50.5米重力作用下的静压 GH=Pa泵升程的一半0.5h=7.5 H2O=73529 Pa因此，最大管道压力P=P0 GH 0.5 H=Pa(约0.7兆帕)聚乙烯PE63(SDR11)额定承压能力为1.0兆帕，管道符合设计要求。结论地源热泵系统在长江流域具有广阔的应用前景(1)如果建筑物周围的可