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1、豎直埋管地熱換熱器的設(shè)計和參數(shù)分析摘要：本文通過對某住宅小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)地熱換熱器的方案設(shè)計的工程實例，介紹了采用《地熱之星》軟件設(shè)計地熱換熱器的方法；討論分析了回填材料導熱系數(shù)、巖土導熱系數(shù)、鉆孔間距以及循環(huán)液的類型四種主要因素對地熱換熱器設(shè)計尺寸的影響，并指出提高回填材料導熱系數(shù)、適當增大鉆孔間距以及選擇凝固點較低的循環(huán)液有利于減小鉆孔長度，從而節(jié)省地熱換熱器的初投資。關(guān)鍵詞：地源熱泵地熱換熱器設(shè)計軟件1引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及人們對節(jié)能、環(huán)保意識的提高，具ss量的值可以產(chǎn)生數(shù)倍的變化。國內(nèi)有些關(guān)于地熱換熱器設(shè)計的文獻中推薦的每米鉆孔傳熱量的經(jīng)
2、驗數(shù)據(jù)，對于實際工程設(shè)計可能產(chǎn)生誤導，因而不利于該項新技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。影響地熱換熱器設(shè)計的最重要影響因素有：1.巖土的導熱系數(shù)；2.全年的冷熱負荷及其相對的比值[5]；3.回灌材料的導熱系數(shù)與U型管各支管的間距；4.地熱換熱器排列方式與鉆孔間距；5.設(shè)定的循環(huán)液所允許的最高和最低溫度，在以供熱為主的應(yīng)用場合，這一參數(shù)常常取決于選用循環(huán)液的類型。山東建筑工程學院地源熱泵研究所開發(fā)的地熱換熱器設(shè)計及模擬專用軟件《地熱之星》[2]采用了在國際上領(lǐng)先的二維和準三維模型[3-6]，考慮了全年吸熱和放熱不平衡等復(fù)雜的情況，以保證地熱換熱器在整個服務(wù)周期
3、（20年或更長的時間）中的性能為設(shè)計目標，使地熱換熱器的設(shè)計計算脫離了按經(jīng)驗數(shù)據(jù)估算的狀況。該軟件還能同時對單U型埋管與雙U型埋管這兩種分別在美國和歐洲流行的不同埋管形式[3]進行計算和比較?！兜責嶂恰酚质菍τ脩粲押玫?，普通的暖通空調(diào)工程師都能很快掌握軟件的使用，輸入設(shè)計條件就可以直接得到要求的埋管長度，因而可以方便地進行多方案的技術(shù)經(jīng)濟比較。本文結(jié)合一個工程實例就其中的回灌材料的導熱系數(shù)、巖土的導熱系數(shù)、鉆孔間距及循環(huán)液的類型四個方面對地熱換熱器的設(shè)計方案進行分析和比較。2工程概況該工程為位于湖北省的一個住宅小區(qū)，總建筑面積約7萬平方米，擬采
4、用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來實現(xiàn)其冬季的供熱、夏季的制冷以及供應(yīng)生活用熱水。該地區(qū)冬季空調(diào)室外計算溫度為℃；夏季空調(diào)室外計算溫度為℃；未受干擾的地下溫度為16℃。本設(shè)計主要通過《地熱之星》設(shè)計軟件按1萬平方米建筑面積來進行方案比較和設(shè)計計算。3方案比較和設(shè)計3.1確定鉆孔參數(shù)鉆孔的幾何分布形式要根據(jù)可提供的場地確定，本研究選取矩陣排列為4×925。鉆孔間距取3*3、4*4、4*5、5*5、6*6、7*7、8*8、9*9（行間距*列間距）八種情況進行比較計算。鉆孔半徑設(shè)為0.055m?；靥畈牧系膶嵯禂?shù)取0.6，1.2，1.8，2.4，3.0W/(m℃)進
5、行比較和研究。3.2U型管的確定本工程采用單U型豎直埋管的形式。單個鉆孔的截面示意圖如圖1所示。管材采用目前國際上廣泛使用的高密度聚乙烯管（PE3408），其導熱系數(shù)為0.42W/(m℃)；標準尺寸比為SDR11，管外徑為32mm，內(nèi)徑為26mm。兩支管間距選為C型，即兩根管子中心距為鉆孔半徑。3.3巖土參數(shù)的確定當?shù)剡h端巖土溫度為16℃。當?shù)貛r土的類型可參考當?shù)氐刭|(zhì)勘探局提供的有關(guān)數(shù)據(jù)，但對于其熱物性擬應(yīng)用熱物性測定儀進行現(xiàn)場測試[7]。在設(shè)計階段巖土平均導熱系數(shù)先按0.8，1.2，1.6，2.0W/(m℃)試算，同時可模擬不同巖土平均導熱系數(shù)
6、對要求的地熱換熱器埋管尺度的影響。巖土體積比熱取為2000kJ/(m3℃)。3.4確定該小區(qū)的系統(tǒng)負荷系統(tǒng)負荷包括建筑物每月累計的總冷、熱負荷及月累計生活熱水負荷。取冬夏季的室內(nèi)計算溫度分別為=18℃,=25℃，則由以下公式計算可得建筑物每月累計的總冷負荷或總熱負荷，單位KWhr。冬季每月總熱負荷計算公式夏季每月總冷負荷計算公式式中，C為同時使用系數(shù)，對住宅樓這里取作50%；A為總建筑面積，單位；qh為熱負荷面積指標，本方案取50；qc為冷負荷面積指標，本方案取100；為月平均溫度，由氣象資料得到，i=1,2……12。又由手冊查得該地區(qū)采暖期為1
7、1月20日——3月14日，所以11月至3月需計算熱負荷；過度季節(jié)4月、5月及10月由于月平均溫度與室內(nèi)設(shè)計溫度較接近，冷熱負荷均為零；6至9月由于月平均溫度較高，需計算冷負荷。其中月平均溫度由供熱空調(diào)能耗分析用逐時氣象數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)(Medpha)軟件計算得到。生活用熱水負荷按每人80L/day確定，同時使用系數(shù)取30%。最后計算結(jié)果匯總在表1中。表1各月累計總冷、熱負荷及熱水負荷月份1923456789101112月平均溫度℃1.653.308.9916.1716.1125.8926.9226.3725.10916.117.943.07熱負荷kW
8、hr2168981949001068330000000123492195646冷負荷kWhr0000901337892585351927
