淺談地埋管地源熱泵的設(shè)計

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1、淺談地埋管地源熱泵的設(shè)計摘要:本文將論述地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計體要點。關(guān)鍵詞：“卡諾循環(huán)”“制熱系數(shù)”“單口井換熱量”“換熱熱阻”中圖分類號：TII3文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1?引言近年來，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在建筑工程屮得到廣泛應(yīng)用。一提到地埋管地源熱泵系統(tǒng)，人們立刻想到“節(jié)能”、“環(huán)?！?、“綠色”、“減排”，但是根據(jù)工程回訪（京津地區(qū)），很多業(yè)主反應(yīng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)沒有想象中的那么節(jié)能。本文將追根溯源，討論地埋管地源熱泵系統(tǒng)為什么節(jié)能，怎樣才能節(jié)能，提出建筑物地埋管地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟節(jié)能是

2、靠精細、合理、優(yōu)化的設(shè)計來保證的。2?地埋管地源熱泵系統(tǒng)的概念地埋管地源熱泵系統(tǒng)是一種以大地作為冷、熱源，以水溶液作為媒介,通過垂直或水平封閉管路與大地交換熱量，并把交換的熱量提供給地源熱泵機組，維持地源熱泵機組正常工作，向建筑物供冷或供熱的集中空調(diào)系統(tǒng)。在冬季，地埋熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管道（亦稱地下?lián)Q熱系統(tǒng)）從人地收集自然界熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水溶液把熱量帶到室內(nèi)，再由室內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)提升熱的品位，把熱量釋放到室內(nèi)。在夏季，為達到給室內(nèi)降溫目的，地源熱泵系統(tǒng)將從室內(nèi)吸收的多余熱量排入水溶液環(huán)路

3、中，再經(jīng)過地下?lián)Q熱系統(tǒng)，講多余熱量釋放給大地。在一年里，對大地而言，冬季大地在放熱，夏季大地在蓄熱，這種獨特的工況使地埋管地源熱泵系統(tǒng)成為跨季節(jié)的蓄能空調(diào)系統(tǒng)。3.熱泵原理和根本優(yōu)勢地埋管地源熱泵系統(tǒng)首先是一種熱泵技術(shù)。熱泵技術(shù)的基本原理基于卡諾循環(huán)，它采用電能（或氏它方式）驅(qū)動，耗功N,從低溫?zé)嵩粗形崃縌',并通過高溫?zé)嵩摧斔蜔崃縌,我們把輸送的熱量與驅(qū)動熱泵消耗的功之比稱為制熱系數(shù)，即。我國火力發(fā)電網(wǎng)輸送到用戶的綜合效率為33%左右，理論上只要工程屮地源熱泵制熱系數(shù)＞3.3,熱泵供暖對一次能源的利用

4、率＞1.0o實際上，大多數(shù)情況下，地源熱泵制熱系數(shù)是可以達到3?0?3?5的。而傳統(tǒng)的燃油燃煤燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)的情況是這樣的：燃油燃煤燃氣鍋爐的效率nl二0.6&熱網(wǎng)效率n2二0.9所以大型熱網(wǎng)輸送到用戶的綜合效率，即對一次能源利用率。熱泵采暖的節(jié)能特性明顯優(yōu)于以燃油燃煤燃氣鍋爐為熱源的采暖系統(tǒng)。在夏季供冷工況下，地埋管地源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)的電制冷集中空調(diào)系統(tǒng)的原理是一樣的，形式上主要區(qū)別在于：地埋管地源熱泵系統(tǒng)向大地排熱，傳統(tǒng)電制冷集中空調(diào)系統(tǒng)通過冷卻塔排熱。只有在地下?lián)Q熱系統(tǒng)的水溫低于冷卻塔水

5、溫的情況下，地埋管地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)才有優(yōu)勢。如何降低地下?lián)Q熱系統(tǒng)的水溫呢？先要了解地下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱機理。4?地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱機理當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)向土壤排熱時，土壤的水分子蒸發(fā)，土壤的濕度減小,土壤熱阻增大，地埋管的換熱效率下降。當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)向土壤放熱時,土壤的水分子凝結(jié)，土壤的濕度增大，土壤熱阻減小，地埋管周圍的土壤導(dǎo)熱系數(shù)在增加。所以，冬季地埋管吸熱的換熱效果要優(yōu)于夏季地埋管排熱的換熱效果?；蛘哒f，冬季地埋管的換熱情況是能夠冇-定的自身調(diào)節(jié)能力的，夏季地埋管的換熱是隨著排熱持續(xù)進行而持

6、續(xù)惡化的。5.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的年熱平衡在寒冷地區(qū)，夏季熱負荷大于冬季冷負荷，完全使用地埋管換熱系統(tǒng)形式的地源熱泵系統(tǒng)，將破壞埋管周I韋I換熱區(qū)域巖土的全年熱平衡，導(dǎo)致埋管周圍換熱區(qū)域巖土的溫度逐年上升，最后導(dǎo)致運行幾年后地源熱泵機組在夏季因冷凝器換熱水溫過高而自我保護停機。6?單口井換熱量沒有意義明白了以上原理，我們可以對單口井換熱量進行分析。工程中（京津地區(qū)），很多做地埋管換熱系統(tǒng)的廠家提出夏季工況下地埋管單口井換熱量能達到6Kw甚至8Kw。很多設(shè)計師被這些數(shù)據(jù)所誤導(dǎo)，沒有理解其屮的真正含義，套用這些

7、數(shù)據(jù)使用在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中，縱然地源熱泵系統(tǒng)沒到刖潰的程度，但是也沒發(fā)掘出節(jié)能的潛力。其實并不是廠家騙人，地埋管單口井換熱量是可以達到上述參考值的，但是實際上單口井換熱量是沒有明確物理意義的。單口井的換熱量的增加是依靠犧牲地埋管出口水溫實現(xiàn)的，即提高地埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)與地埋管周圍換熱區(qū)域的溫差來實現(xiàn)。在夏季，地埋管出口水溫度決定著地埋管地源熱泵機組的制冷效率。出口溫度越高，制冷效率越低。也就是說，設(shè)計師因各種因素制約，機械地按單口井最大換熱能力套用在系統(tǒng)設(shè)計上，會導(dǎo)致地埋管井口數(shù)量不足，在夏季地埋管出口水溫

8、會上升，制冷效率下降，并有可能降低到比冷卻塔排熱的制冷效率還耍低。系統(tǒng)冬季節(jié)省出的能源乂被夏季不良工況消耗進去了，這是很多地埋管地源熱泵系統(tǒng)不比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的根源。7.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的方案設(shè)計過程建筑物是否采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的方案，是一個很復(fù)雜的決策計算過程，絕不是一拍腦門就能定出來的。它是受建筑物規(guī)模、功能、當(dāng)?shù)啬茉凑?、項目資金狀況各種因索影響。作為設(shè)計師，首先應(yīng)根據(jù)建筑物規(guī)模、功能対建筑物采用傳