地源熱泵空調(diào)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

曹濤

摘要：隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，以節(jié)能和環(huán)保為主要特征的地源熱泵技術(shù)在整個(gè)空調(diào)行業(yè)具有良好的發(fā)展勢(shì)頭。這一技術(shù)目前還不甚廣泛，正處于起步階段，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在一系列期待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；空調(diào)；應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已成為普遍的需求，所以合理利用自然資源，保護(hù)環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷熱量，冬季從大地吸收熱量，夏季從大地吸收冷量，再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無(wú)污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。

1.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1地源熱泵系統(tǒng)分類(lèi)

地源熱泵系統(tǒng)按其循環(huán)形式可分為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)、混合循環(huán)系統(tǒng)。（1）開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)。開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)是其管道中的水來(lái)自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環(huán)相同的方式與建筑物交換熱量之后，水流回到原來(lái)的地方或者排放到其它的合適地點(diǎn)。（2）閉式循環(huán)系統(tǒng)。封閉循環(huán)系統(tǒng)是指冷（熱）源側(cè)的循環(huán)水在機(jī)組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環(huán)。管道可以通過(guò)垂直井埋入地下150～200英尺深或水平埋人地下4～6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建筑物中，在夏天則是將建筑物內(nèi)的熱能通過(guò)管道送入地下儲(chǔ)存；所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。閉式循環(huán)系統(tǒng)是一種比較穩(wěn)定可靠的常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)地下水、地下環(huán)境沒(méi)有污染，一般設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮該循環(huán)系統(tǒng)。（3）混合循環(huán)系統(tǒng)?；旌涎h(huán)系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器一般按熱負(fù)荷來(lái)計(jì)算，夏天所需的額外的冷負(fù)荷由常規(guī)的冷卻塔來(lái)提供。對(duì)于地下設(shè)計(jì)熱交換空間不夠充分，或垂直埋管困難等地下特殊情況，可考慮設(shè)計(jì)混合循環(huán)系統(tǒng)。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)討論

關(guān)于（冷）熱源側(cè)水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環(huán)流程長(zhǎng)度、埋管材料、管徑大小、當(dāng)?shù)氐卦礂l件以及機(jī)組的特性要求。一般如提高水流速度可適當(dāng)增加換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗，一般可取流速為0.65～1.5m/s。具體可當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)關(guān)系如下。復(fù)合能耗N=f（長(zhǎng)度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te，地源熱指標(biāo)Ke，機(jī)組特性Type）在機(jī)組選擇上，設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度，根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度?？傊?，我國(guó)幅員遼闊，地處溫帶，在不同地區(qū)氣候條件差異很大，其負(fù)荷也迥然不同。

1.3機(jī)組的設(shè)計(jì)

地源熱泵的形式比較多，其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。以水一水系統(tǒng)為例，由一個(gè)室外機(jī)組和多個(gè)室內(nèi)機(jī)組組成。該系統(tǒng)可以對(duì)每個(gè)空調(diào)室進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足各個(gè)空調(diào)室的要求，具有較好的節(jié)能效果。變頻戶(hù)式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加上獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)是一很有發(fā)展前景的理想的節(jié)能舒適型戶(hù)式中央空調(diào)系統(tǒng)，因而其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有極其重要的價(jià)值。傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)加實(shí)驗(yàn)為主，通常經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便易行，對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)條件等依賴(lài)性相對(duì)較小，只適于產(chǎn)品的初步開(kāi)發(fā)。

1.4地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與布設(shè)

土壤熱交換器是地源泵機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等，這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場(chǎng)等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，充分利用土地面積。

（1）豎直埋管材料和深度。埋管材料最好采用塑料管。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定，可以從20m～200m。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。如果地表土壤層很厚，鉆孔費(fèi)用相對(duì)便宜，宜采用較深的豎直埋管，反之，采用淺埋。埋管間距一般以5～6m及以上，要綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)及土壤的傳熱情況。

（2）豎直埋管換熱器回填、靈敏度。豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)深度，將制作好的u型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有u型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，可結(jié)合建筑物樁基一起施工。

（3）豎直埋管換熱器中傳熱的衰減。豎直埋管換熱器中流動(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度。

2.結(jié)論

地源熱泵作為一種環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式，將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)，同時(shí)又是一項(xiàng)跨專(zhuān)業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，需要通過(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作做好地源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)方面。