1、地源热泵系统的研究及应用摘要：介绍了地源热泵的工作原理、特点。对某服务中心地源热泵系统进行了分析。总结出地源热泵系统一些设计要点。 关键词： 地埋管雷诺数 f 中图分类号：TH3 文献标识码： A 文章编号： 1 .地源热泵的工作原理 地源热泵是以大地为热源对建筑进行空气调节的节能新技术。在夏热冬冷地区，应用地源热泵系统可达到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源热泵系统适用范围广泛，既可应用于宾馆、写字楼、医院和学校等社会机构，又可应用于居民住宅。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机
2、组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由图中的四通阀门(换向阀)控制。 2工程应用实例 本工程为某服务中心。建筑面积 12000m2。经计算本工程夏季冷负荷为 1200KW,冬季热负荷为 900KW。根据夏季冷负荷及冬季热负荷，选用两台地源热泵机组, 单台机组制冷量为 650kw,制热量为 730kw。夏季冷冻水供、回水温度为 7/12C，冬季热水供、回水温度为 45/40C。室内空调系统形式为风机盘管。土壤源热泵地下埋管系统是由 160 个埋深为120m 的双 U 井型埋换热器组成，采用垂直埋管
3、，井间距为 4 米,钻孔直径 300mm。埋管材料为高密度聚乙烯管，管径 De32x3.0，并联连接，循环液为水。 3地埋管长度计算 1）确定地下换热器换热量 夏季与冬季地下换热器的换热量可分别根据以下计算式确定: 式中 Q 为热泵机组制冷量,kW; Q 为热泵机组制热量 ,kW; COP, COP分别为热泵机组制冷、制热时的性能系数 COP1=5.0；COP2=4.0； 夏季，1560KW 冬季，1095KW 其中： 所选设备的制冷量，单位 KW； 所选设备的制热量, 单位 KW； 从计算结果可以看出，夏季地下换热器的换热量远大于冬季，因此设计时以满足夏季换热量为准，计算钻孔总长度。 2）地
4、埋管长度、面积计算： 计算公式：L= Q/ N=L/l S=Ns1 L井的总长度（米） Q机组向大地排放热量（kw） 每延米供给的冷热负荷量（取 60w/m） N打孔口数（口） l每口井深度（取 120 米/口） S地埋管面积（平方米） s1每口井要求占用的面积为 4*4 平方米 因此：L=Q/ =10951000/60 =18250 米（井的总长度） 井的总长度为 18250 米，竖管采用 PE 高效双 U 型管材。 N=L/l=18250/120=152 口 单口井深度根据天津地区地质勘测报告，可以设计为 120 米，能够减少预留埋管面积，保证冷却水系统的水力平衡；由于需要重新计算打井钻杆
5、的力矩参数以及偏心距等问题，因此增加了打井难度；考虑到实际埋管布置规划以及数值圆整，取打井口数为 160 口。 S=Ns=16044=2560 平方米 现场具备打井的空间，所以打 160 口井，井间距 4 米是可行的。 4.地埋管雷诺数计算 流质在流动状态下的流速、管径、流体的动力粘滞系数和密度，这四个参 数组合的一个无因次数，叫做雷诺数。 Re=vd/=vd/ 其中：Re雷诺数 v流速（m/s） d管径（m） 流体的动力粘滞系数（N/ m2s） 密度（kg/m3） 运动粘滞系数（m2/s，即斯托克斯 St） 对于任何管径和任何牛顿流体，判别流态的临界雷诺数是相同的，其值为 2000。当雷诺数
6、小于 2000 时，流动处于层流状态；当雷诺数大于4000 时，流 动处于紊流状态；当雷诺数在 2000-4000 时，流动处于层流向紊流转变的过渡 区。 为保证与大地充分换热，因此必须使管道内流体保持紊流状态，以保证流 体与管道内壁之间的传热。 竖管内雷诺数的计算： Re1=vd/=0.50.025/（1.30810-6）=99564000 Re2=vd/=0.50.025/（1.14010-6）=109654000 Re3=vd/=0.50.025/（0.89710-6）=139354000 其中：Re竖管雷诺数 v流速（竖管内平均流速为 0.5m/s 左右） d管径（竖管管径为 0.02
7、5m） 运动粘滞系数（m2/s） 在标准工况下，夏季水源侧进水温度为 25，出水温度为 30；冬季水源 侧进水温度为 15，出水温度为 10。 由此可见，在标准工况下，无论是在夏季还是在冬季，竖管内的流体均能 保持在紊流状态，均能达到充分换热。 对于横管内的雷诺数，由于雷诺数与管径和流速成正比，与某温度下的运 动粘滞系数成反比，所以在同等温度下的运动粘滞系数不变的情况下，横管管 径（0.025mm） ，横管平均流速在 1.0-1.5m/s，都比竖管大，因此横管内的流体 也处于紊流状态，能达到充分换热。 通过雷诺数的计算可知管径选择是合适的。 5.设计体会 1）地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管或聚丁烯管。管材和管件应为相同材料。 2）当可利用表面积较小，浅层岩土体的温度及热物性受气候、雨水、埋设深度较大时宜采用竖直地埋管换热器。 3）为保证与大地充分换热，因此必须使管道内流体保持紊流状态，以保证流 体与管道内壁之间的传热。
