刘森

（安徽地矿新能源开发有限责任公司 安徽合肥 230000）

基于节能环保下地源热泵的套管式地下换热器研究

刘森

（安徽地矿新能源开发有限责任公司 安徽合肥 230000）

在现代化建设进程逐渐加快的现阶段，社会实现迅猛发展的同时，资源紧缺和环境恶化等问题也越来越严重，人们已经逐渐的开始意识到节能减排的重要性，节能与环保是影响国民经济的重要因素，各项政策文件的出台给各个行业领域的发展也提出了越来越高的要求。地源热泵因其所具有的节能、环保、高效等优势已经成为清洁能源研究领域中的一个热点内容。为了推动我国社会的可持续发展，本文对基于节能环保下地源热泵的套管式地下换热器进行了深入的研究。

节能环保；地源热泵；套管式地下换热器；传热

前言

在现代化建设脚步不断加快的现阶段，人们生活水平也实现了较大程度的提高，空调作为舒适生活中的必备品在我们的生活和工作中扮演着重要的角色。然而，从我国的发展现状来看，仍是以燃煤为主，这种不合理的能源结构使得环境污染的问题日益严重，对于市场经济的发展也起到了加大的阻碍作用，特别是在可持续发展观理念提出之后，应用低能耗、无污染的可再生新能源工程技术已经成为全世界共同关注的话题。地源热泵的套管式地下换热器是一种新兴的空调技术，对其进行深入的研究有利于实现节能环保的发展目标。

1 地源热泵套管式地下换热器的传热影响因素

1.1 地埋管之间的热干扰

对于竖直的U形套管式地下换热器而言，其钻孔孔径一般情况下均在110～130mm的范围之内；在这样的狭小的空间之内，温度不同的两个支管之间必然会出现热量回路的问题，也就是我们通常所说的热短路。据相关的研究发现，当管距逐渐增大的时候，支管之间的热量回流就越小；另外，竖直单U形管支管之间的热量回流还会受到回填材料的导热系数的影响。

1.2 地下水的影响

湿土壤中的含水会对套管式地下换热器的换热产生一定的影响，一方面是由于湿度本身所产生的静态干扰，另一方面是含湿量梯度所造成的渗透或流动的影响。通常情况下，土壤主要分为干土、非饱和土壤、饱和湿土和湿土壤，这使得地下土壤湿度对传热的影响从简单的导热问题变成了既有对流又有热湿扩散的复杂性问题。研究表明，当土壤中的含水量大于50%的时候，对热泵性能的影响并不大。

1.3 回填材料的影响

回填材料的导热系数是影响套管式地下换热器换热效果和系统效率的主要因素之一。假设地下岩土是均匀的多孔介质，其热量的传递则是由介质的导热和空隙中流体的对流传热来实现的。以超强吸水树脂和源土的混合物作为回填材料，在其中注入少量水的条件之下，对于土壤的非饱和性实现了明显的改善，使得地埋管的吸热量得到提高。

1.4 管内循环流体流量

管内循环流体的流量同样会对套管式地下换热器的传热效果产生影响。通常情况下，随着水流量的增加，进出口流体之间的温差就会越来越小，单位管长换热量会出现先增加后减小的变化；此外，流量的增加不仅会减小进出口的温差，同时也会因为进出管脚内流体平均温度的降低，使得与远边界土壤间的温差也随之加大，因此认为换热器中存在着最佳的水流量。

2 地源热泵套管式地下换热器的建筑应用分析

2.1 系统设计的基础资料

某省现有一生态休闲居住区别墅，分为地上两层，总计空调面积约为333m2，其平面和地表情况如图1所示；对于室内外的设计参数而言，用于建筑物空调负荷设计的参数包括了气象资料的室内设计参数等，其中夏季室外空调计算干球和湿球温度分别为35.6℃和28.5℃；夏季和冬季室外平均风速分别为2.3m/s和2.4m/s；该建筑室内所采用的是辐射地板系统，对实感温度的影响和辐射地板的蓄热能力等因素进行考虑之后，决定夏季室内地板表面的设计相对湿度为58%，且冬季室内的设计温度为16.5℃。

图1 建筑物平面和地表情况示意图

2.2 建筑空调冷热负荷计算

建筑冷热负荷是冷热源机组容量选择的主要参考依据，与普通空调系统相比较而言，辐射地板供暖同时存在着对流和辐射换热，因此在对热负荷进行计算的时候通常采用修正系数法和降低室内温度法；而冷负荷组主要包括了维护结构、人体、设备、照明散热等，因此采用冷负荷系数法对其进行计算；而建筑热负荷同时也是围护结构的耗热量，且由于辐射地板供暖系统在建筑物的地层地面下会存在一定的热损失，约在其供暖量的10～19%范围之间，其实际的计算结果如表1所示。

表1 建筑冷热负荷计算结果

2.3 地源热泵系统设备选型

2.3.1 地源热泵空调机组选型

地源热泵空调机组型号的确定需要在对空调机组实际负担项目的基础上增加10%左右的裕量；其中一层地源热泵空调机组选用的是EM031型，在冷却水温度为30℃时，其制冷量为7.98kW，送风量为1415m3/h；冬季的进水温度为10℃时，其供热量为7.86kW；二层地源热泵空调机组选用的是EM036型，在冷却水温度为30℃时，其制冷量为8.48kW，送风量为1700m3/h；冬季的进水温度为10℃时，其供热量为7.86kW。

2.3.2 地源热泵冷热水机组选型

地源热泵冷热水机组主要承担着辐射地板系统的冷热负荷，也包括地板下的散热损失；在最大负荷和一二层同时运行的条件之下，二层向下的传热量对于一层是有意义的，因此不能将其看做成是热损失，因此在对总负荷进行计算的时候，要去除二层底板的向下传热量；经过计算得出，夏季最大的冷负荷为18.56kW，冬季最大的热负荷为21.63kW，并据此选择了型号为WP072的机组。

2.4 套管式地下换热器系统设计

2.4.1 换热器的布置

对造价因素进行充分考量之后，套管式地下换热器系统应该安装在靠近建筑物的适应位置处，并且尽可能的减小环路集管的长度；在设计的过程中要注意控制换热器和埋地设施之间的距离，并且采用多个环路集管的方式，如图1所示，其中的“L”形区域为推荐埋设位置；由于区域内存有8口竖井，埋管之间的距离为6m，其具体的管路布置如图2所示，通过并联同程的方式讲起分成了两个环路，且每个环路内包括了4口竖井。

图2 套管式地下换热器系统布置示意图

2.4.2 管路最大压力计算

为了保证套管式地下换热器最下端管道的重力作用静压在其实际的耐压范围之内，因此需要对管路的最大压力进行计算；当最大压力超过了管道的实际耐压极限的时候，则需要更换管道或者使用板式换热器将地下埋管与建筑环路实现分离。①要对套管式地下换热器最不利于环路的压力损失进行计算；②管路的最大压力一般是由重力作用静压、水泵扬程和换热器最下端管道静压等因素共同决定的，基于此计算出管路的最大压力为9.5MPa，在管道耐压极限之内，符合标准。

3 结束语

综上所述，节能环保是社会各个行业领域的发展要求和必然趋势，特别是在全社会都广泛使用空气调节设备的背景之下，实现节能降耗已经成为社会实现健康发展的基本要求。地源热泵系统是一套节能环保系统，与传统的空调相比较而言，其来源与较深的地城，在未受到干扰的情况下会常年保持在恒定的温度，其中的套管式地下换热器的设计和应用有效的克服了传统空气源热泵技术中存在的障碍，将其应用到建筑采暖空调领域当中一方面不会受到气候条件的影响，运行稳定；另一方面还具有经济性的特点，具有较大的推广价值。

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