基于節能環保下地源熱泵的套管式地下換熱器研究

劉森

（安徽地礦新能源開發有限責任公司 安徽合肥 230000）

基于節能環保下地源熱泵的套管式地下換熱器研究

劉森

（安徽地礦新能源開發有限責任公司 安徽合肥 230000）

在現代化建設進程逐漸加快的現階段，社會實現迅猛發展的同時，資源緊缺和環境惡化等問題也越來越嚴重，人們已經逐漸的開始意識到節能減排的重要性，節能與環保是影響國民經濟的重要因素，各項政策文件的出臺給各個行業領域的發展也提出了越來越高的要求。地源熱泵因其所具有的節能、環保、高效等優勢已經成為清潔能源研究領域中的一個熱點內容。為了推動我國社會的可持續發展，本文對基于節能環保下地源熱泵的套管式地下換熱器進行了深入的研究。

節能環保；地源熱泵；套管式地下換熱器；傳熱

前言

在現代化建設腳步不斷加快的現階段，人們生活水平也實現了較大程度的提高，空調作為舒適生活中的必備品在我們的生活和工作中扮演著重要的角色。然而，從我國的發展現狀來看，仍是以燃煤為主，這種不合理的能源結構使得環境污染的問題日益嚴重，對于市場經濟的發展也起到了加大的阻礙作用，特別是在可持續發展觀理念提出之后，應用低能耗、無污染的可再生新能源工程技術已經成為全世界共同關注的話題。地源熱泵的套管式地下換熱器是一種新興的空調技術，對其進行深入的研究有利于實現節能環保的發展目標。

1 地源熱泵套管式地下換熱器的傳熱影響因素

1.1 地埋管之間的熱干擾

對于豎直的U形套管式地下換熱器而言，其鉆孔孔徑一般情況下均在110～130mm的范圍之內；在這樣的狹小的空間之內，溫度不同的兩個支管之間必然會出現熱量回路的問題，也就是我們通常所說的熱短路。據相關的研究發現，當管距逐漸增大的時候，支管之間的熱量回流就越??；另外，豎直單U形管支管之間的熱量回流還會受到回填材料的導熱系數的影響。

1.2 地下水的影響

濕土壤中的含水會對套管式地下換熱器的換熱產生一定的影響，一方面是由于濕度本身所產生的靜態干擾，另一方面是含濕量梯度所造成的滲透或流動的影響。通常情況下，土壤主要分為干土、非飽和土壤、飽和濕土和濕土壤，這使得地下土壤濕度對傳熱的影響從簡單的導熱問題變成了既有對流又有熱濕擴散的復雜性問題。研究表明，當土壤中的含水量大于50%的時候，對熱泵性能的影響并不大。

1.3 回填材料的影響

回填材料的導熱系數是影響套管式地下換熱器換熱效果和系統效率的主要因素之一。假設地下巖土是均勻的多孔介質，其熱量的傳遞則是由介質的導熱和空隙中流體的對流傳熱來實現的。以超強吸水樹脂和源土的混合物作為回填材料，在其中注入少量水的條件之下，對于土壤的非飽和性實現了明顯的改善，使得地埋管的吸熱量得到提高。

1.4 管內循環流體流量

管內循環流體的流量同樣會對套管式地下換熱器的傳熱效果產生影響。通常情況下，隨著水流量的增加，進出口流體之間的溫差就會越來越小，單位管長換熱量會出現先增加后減小的變化；此外，流量的增加不僅會減小進出口的溫差，同時也會因為進出管腳內流體平均溫度的降低，使得與遠邊界土壤間的溫差也隨之加大，因此認為換熱器中存在著最佳的水流量。

2 地源熱泵套管式地下換熱器的建筑應用分析

2.1 系統設計的基礎資料

某省現有一生態休閑居住區別墅，分為地上兩層，總計空調面積約為333m2，其平面和地表情況如圖1所示；對于室內外的設計參數而言，用于建筑物空調負荷設計的參數包括了氣象資料的室內設計參數等，其中夏季室外空調計算干球和濕球溫度分別為35.6℃和28.5℃；夏季和冬季室外平均風速分別為2.3m/s和2.4m/s；該建筑室內所采用的是輻射地板系統，對實感溫度的影響和輻射地板的蓄熱能力等因素進行考慮之后，決定夏季室內地板表面的設計相對濕度為58%，且冬季室內的設計溫度為16.5℃。

圖1 建筑物平面和地表情況示意圖

2.2 建筑空調冷熱負荷計算

建筑冷熱負荷是冷熱源機組容量選擇的主要參考依據，與普通空調系統相比較而言，輻射地板供暖同時存在著對流和輻射換熱，因此在對熱負荷進行計算的時候通常采用修正系數法和降低室內溫度法；而冷負荷組主要包括了維護結構、人體、設備、照明散熱等，因此采用冷負荷系數法對其進行計算；而建筑熱負荷同時也是圍護結構的耗熱量，且由于輻射地板供暖系統在建筑物的地層地面下會存在一定的熱損失，約在其供暖量的10～19%范圍之間，其實際的計算結果如表1所示。

表1 建筑冷熱負荷計算結果

2.3 地源熱泵系統設備選型

2.3.1 地源熱泵空調機組選型

地源熱泵空調機組型號的確定需要在對空調機組實際負擔項目的基礎上增加10%左右的裕量；其中一層地源熱泵空調機組選用的是EM031型，在冷卻水溫度為30℃時，其制冷量為7.98kW，送風量為1415m3/h；冬季的進水溫度為10℃時，其供熱量為7.86kW；二層地源熱泵空調機組選用的是EM036型，在冷卻水溫度為30℃時，其制冷量為8.48kW，送風量為1700m3/h；冬季的進水溫度為10℃時，其供熱量為7.86kW。

2.3.2 地源熱泵冷熱水機組選型

地源熱泵冷熱水機組主要承擔著輻射地板系統的冷熱負荷，也包括地板下的散熱損失；在最大負荷和一二層同時運行的條件之下，二層向下的傳熱量對于一層是有意義的，因此不能將其看做成是熱損失，因此在對總負荷進行計算的時候，要去除二層底板的向下傳熱量；經過計算得出，夏季最大的冷負荷為18.56kW，冬季最大的熱負荷為21.63kW，并據此選擇了型號為WP072的機組。

2.4 套管式地下換熱器系統設計

2.4.1 換熱器的布置

對造價因素進行充分考量之后，套管式地下換熱器系統應該安裝在靠近建筑物的適應位置處，并且盡可能的減小環路集管的長度；在設計的過程中要注意控制換熱器和埋地設施之間的距離，并且采用多個環路集管的方式，如圖1所示，其中的“L”形區域為推薦埋設位置；由于區域內存有8口豎井，埋管之間的距離為6m，其具體的管路布置如圖2所示，通過并聯同程的方式講起分成了兩個環路，且每個環路內包括了4口豎井。

圖2 套管式地下換熱器系統布置示意圖

2.4.2 管路最大壓力計算

為了保證套管式地下換熱器最下端管道的重力作用靜壓在其實際的耐壓范圍之內，因此需要對管路的最大壓力進行計算；當最大壓力超過了管道的實際耐壓極限的時候，則需要更換管道或者使用板式換熱器將地下埋管與建筑環路實現分離。①要對套管式地下換熱器最不利于環路的壓力損失進行計算；②管路的最大壓力一般是由重力作用靜壓、水泵揚程和換熱器最下端管道靜壓等因素共同決定的，基于此計算出管路的最大壓力為9.5MPa，在管道耐壓極限之內，符合標準。

3 結束語

綜上所述，節能環保是社會各個行業領域的發展要求和必然趨勢，特別是在全社會都廣泛使用空氣調節設備的背景之下，實現節能降耗已經成為社會實現健康發展的基本要求。地源熱泵系統是一套節能環保系統，與傳統的空調相比較而言，其來源與較深的地城，在未受到干擾的情況下會常年保持在恒定的溫度，其中的套管式地下換熱器的設計和應用有效的克服了傳統空氣源熱泵技術中存在的障礙，將其應用到建筑采暖空調領域當中一方面不會受到氣候條件的影響，運行穩定；另一方面還具有經濟性的特點，具有較大的推廣價值。

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TU111.1

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1004-7344（2016）06-0329-02

2016-2-10