地源热泵系统地下换热器设计讨论

　　TU833 B丁勇1975！）男，山东黄县人博士研究生，讲师从事2垂直竖井的回填料问题制冷空调系统及建筑可持续发展研究。（E-TH）zhengqq12sinacom地源热泵技术自上世纪90年代在国内展开研究以来，已经过了约十年的研究发展里程结合国外的应用研究应该说地源热泵技术在国内的研究已取得了一定的研究成果。加之应用该技术的系统具有能源消耗少、系统COP值高、有环保优势等特点因此在近的几年时间里地源热泵系统在工程中的应用渐渐多起来。但是，由于地源热泵技术具有很强的地域特点，以及其地下换热器数量较多的特点因此地源热泵系统在一定层面上不具有普遍性，也就是说不同的地源热泵系统应根据不同的气候、地理、工程条件的待点进行设计。

　　本文针对地源热泵系统中土壤源地源热泵系统设计中的重要设计点一地下埋管换热器的设计结合多年来的）。

　　7埋管材料7.1管材地下埋管系统基本上不能进行维护，因此地下的管材应首先要保证其化学稳定性、耐腐性。上世纪60年代以前地下埋管多用金属管，虽然它的传热性能好，但耐腐蚀差，使用20a就已腐蚀坏严重降低了地源热泵的使用寿命因此也阻碍了地源热泵的发展。70年代，大量塑料管的出现克服了金属管的缺点因此也促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯（PE）和聚丁烯PB）管柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于PV（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。

　　为了强化地下埋管的换热国外有的提出采用薄壁a5rnm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。

　　7.2选择埋管种类应注意的问题了解制造商提供管子所属的管子体系“，该管子是由何种树脂制作而成抵抗环境应力致裂的能力有关管子材料说明和安装方法。

　　应选择导热系数大，流动阻力小，热膨胀性好，工作压力符合系统要求，工作温度70，售价相应较低的管材。

　　在保证要求情况下选择的管材管壁尽量薄画0套用管件不应选择金属的，好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。

　　应要求厂家提供管子阻力计算用的图、表或相应的数据。

　　能按用户要求的管子长度捆供应，以减少埋管接头数量。

　　使用铝塑管时，应特别注意：铝塑管与水接触的是塑料不易在管道中发生腐蚀，但在铝塑管与铝塑管的接头处及铝塑管与金属接头处均露出了铝材质，暴露出来的铝材质易腐蚀造成泄漏因此系统采用铝塑管时要慎重。

　　选用管子时注意管子的外陪、内径及厚度。

　　8埋管间距视现场情况和工程大小，埋管可沿建筑物周围布置成任意形状加线形、方形、矩形、圆孤形等等。但为了防止埋管间的热干拢必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）埋管的布置形式如单行布置<只有两边有热干拢多排布置四面均有热干拢）等等有关。

　　1水平埋管管沟间距：每沟1管的间距L2m，每沟2管的间距L8m，每沟4管间距管沟内上面管子的管顶到地面的的小高度不小于Q6n 2垂直埋管3m左右较适合建议，埋地取热冬季）盘管的间距取4m埋地放热夏季）盘管间距约为5m综合考虑冬夏工况，U形管埋地换热器管间距应大于5m经过U形埋管冬、夏长时间的运行埋管周围发生温度变化其作用半径是3m左右。建议，相邻孔洞的小距离4.5叩作者按照埋管换热器附近大地热阻计算公式，计算出单根埋管换热器的大地热阻！。单和多根埋管换热的大地热阻！。多，提出一个管群修正系数W的概念，即“=！0多凡单。W大表明管群的热干拢大换热效率下降。用作者开发的计算程序对的计算结果见表3.表3管群修正系数计算值运行时间/d埋管间距/m连续运行40相邻丨管相邻2管相邻3管相邻4管相邻5管相邻6管相邻1管相邻2管间歇运行40相邻3管开停机比h相邻4管相邻5管相邻6管相邻1管相邻2管间歇运行40相邻3管开停机比1：相邻4管相邻5管相邻6管计算时假设管间距6m无热干拢即”

　　=1.表中相邻\6管是管群按错排等距埋管布置加管群顺排等距布置其相邻多管数为4.从表3看出，管群修正系数与运行工况埋管间距和相邻埋管个数有关。如连续运行401单很里管布置相邻只有2根管，间距4.5m换热比6m约低4，间距3m比6m的约低12；而多排埋管布置相邻4根管，间距4.5m换热比6m的约低8间距3m比6m的约降低25.根据如上竖埋管间距建议为工程较小埋管单排布置地源热泵间歇运行埋管间距i0m；工程较大埋管多排布置，地源热泵间歇运行建议取间距4.5m若连续运行或停机时间较少）建议取5m-当然从换热角度分析间距大热干拢少对换热有好处，但占地面积大埋管造价也有所增加。

　　9埋管内工作流体在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在"以上，因此多采用水作为工作流体；：北方地区，冬季地温低地下理管进水温度一般均低于0因此一般均需使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：①盐类溶液一一氯化钙和氧化钠水溶液％乙二醇水溶液酒精水溶液等。

　　一般来说盐溶液具有安全、无毒、无污染、导热性能好、价格低、使用寿命长等优点其缺点是系统有空气存在时，对大部分金属具有腐蚀性。在正确选用管材、部件和系统内空气被排除干净的情况下盐溶液是一种很好的防冻液。

　　乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性，具有较好的导热性能，价格适中，但使用寿命有限且有毒。

　　酒精水溶液具有无腐蚀性、较好的导热性、价格适中、使用寿命长等优点缺点是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前应用水将其稀释，以降低其爆炸的可能性，由于其无腐蚀性，作为防冻液很受欢迎。

　　通过水力和热力计算可知M，要保证流体在管内处于紊流状态，CaCl2水溶液和乙二醇水溶液需要有较大的流速其临界流速比为1：212！245水一CaCl2水溶液一乙二醇水溶液）在CaCl2水溶液和乙二醇水溶液浓度均为20，温度保持-5'冰温为+5C情况下，计算结果为：CaCl2水溶液流动阻力大其排序为CaCl2水溶液！乙二醇水溶液！水具体比值为L44！L28：1.管内流体换热系数在常用管径及流速下其大小排序为水！CaCl2水溶液！乙二醇水溶液其平均值具体比值为1！

　　0155！0149.在使用时应特别注意。

　　10季节性地下岩土热平衡问题由于地源热泵系统夏季运行时系统吸收室内热量濡向大地排放冷凝热土壤吸收热量后，会改变其自身温度场，使其温度逐渐升高；在冬季运行时，系统需吸收大地热量从而降低土壤温度。就季节性而言加夏季排放的热量与冬季吸收的热量相吻合，则全年大地温度场变化不大因而系统可长期持续稳定运转但若夏季排热量与冬季吸热量不吻合，则势必造成大地温度场持续升高或持续降低，而由于大地温度场的持续改变；将影响地源热泵系统的长期运行效果同时也会给环境生态带来不可预料的影响。

　　由于季节性热平衡与普通热平衡不同要实现100相等是很难也是不可能实现的。长期的实验研究及数据分析，认为只要系统夏季排放的热量与冬季吸收的热量相差在10）20以内均可认为达到季节性热平衡。只要在此范围内，由于系统吸热、排热对大地温度场造成的年改变将可通过土壤的蓄热、传热以及热衰减等加以恢复。

　　而对于吸排热量难以自我平衡的系统，则只有借助外来因素加以平衡。如对于南方地区夏季炎热、冬季暖和J则系统运行时夏季排热量必然远大于冬季吸热量为保证地源热泵系统长期稳定运行，可采用加冷却塔的方式进行辅助散热。而对于北方地区，冬季寒冷、夏季温度适宜则j系统运行时冬季吸热量必然远大于夏季排热量，因此为保证地源热泵系统长期稳定运行，可采用辅助热源方式如太阳能、生产生活废热等）提供热量。

　　魏唐棣。地源热泵地下竖埋管换热器性能研究。博士学位论文集，重庆大学*2001刘筅英，陈建苹，胡鸣明等。地源热泵地下竖埋套管式换热器传热模型。全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集。北京中国建筑工业出版社，000张旭，高晓兵，简瑞民等。土壤及与黄沙混合物导热系数的实验研究。全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集。北京：中国建筑工业出版社2000，478*481王勇，刘筅英，付祥钊等。地源热泵及地下蓄能系统的实验研究。

　　吴永华。垂直埋管式土壤源热泵的设计施工方法及夏季供冷测试和传热模型。重庆大学，002.于明志，方肇洪，李明钧。土壤冻结对地下换热器传热的影响。山东刘筅英，等。地源热泵地下埋管换热器试验介绍。中国冷冻空调，殷平。地源热泵在中国。现代空调丛书第3辑。北京国建筑工业出版社，001于立强等。垂直埋管地源热泵系统实验研究。全国暖通空调制冷2000年学术文集。北京中国建筑工业出版社，00a王勇，刘筅英等。地源热泵及地下蓄能系统的实验研究。暖通空刘筅英，丁勇。地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算。

　　供热制冷，0032）。