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           地源热泵顾名思义就是利用地下岩土以温度形式存在的能量、通过热泵机组转换成空调系统的冷热源。在气候学的相关实测资料中,地面至地下100米以内的地质构造的平均温度,与当地的年平均温度相当,于是把这种浅表层所具有的能量形式、作为一个无限大的能源场使用、就变得顺理成章。这种广义的理解造就了现在流行的U型埋管地源热泵系统。

          早期工作把地下作为一个无限大的能源场作为换热对象、概念上好像没有问题,工程实践后加上对地质的热物理性能了解,认识到这种做法会有很多问题。用传热学的知识和根据地质的热物理性能来看分析地源热泵的地下换热系统,是能很好解决问题的方法,以季节年为周期的换热对象岩土构造、具备了储热能力可随换热体积加大而增大的条件,且换热场的边界与周边岩土的换热比较慢,具有一定的储热能力,所以螺旋埋管的换热就建立储热场换热的基础上。


                      表1,部分土壤和岩石的热物理特性

                     

          

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        从储热场来考虑问题,①换热体积的尺度控制。②换热场的储热能力计算。③采用什么形式的布管方式。 ④地下换热系统怎样组成。⑤地下热平衡问题。

        由于土壤和岩石的导热系数都不是优良传热导体,并且换热场的边界尺度都很大,在实际工程中的温度反应现象、这种换热方式实际上就是一个储热体的换热模式,这种换热的特点就是导热体两侧的温度都是实时变化,所以选择合理的换热形式就显得至关重要了。

        现有的地下埋管换热形式;垂直U型埋管,水平U型埋管,迂回埋管,水平直管埋管,圆环平铺埋管,螺旋埋管,还有一些没有任何作用的埋管形式如“W”型埋管。这些形式的埋管换热性能一直是业内困惑的问题,在众说纷纭的氛围中、只好用热响应实验作为设计依据。其中迂回埋管,水平埋管,圆环平铺埋管,都是水平埋管的常用形式。

        只要是用圆管为传热载体系统、其热传导一定也满足圆筒壁的传热模型。基本传热公式:

                         

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        在设计地下换热场时、对换热方式选择:①容易施工。②换热量可控。③材料要经久耐用和经济。④不易损坏。⑤换热材料的热工性能和岩土的热工性能相当。

        按照现有的建筑基础形式和施工方式,螺旋埋管可以充分利用现有的施工、管理方式,首先它可以充分利用建筑结构桩作为换热体,同时也可以按照需求用现有的施工方式进行施工,既可人工挖孔桩埋管、也可以用机械化施工成孔埋管。在冲积平原地区还可利用工厂化生产的管桩,在工厂把螺旋管设置在管桩里。螺旋埋管可结合结构桩埋管、能达到一桩两用的目的,为节省工程造价创造条件。

        螺旋埋管系统能节约土地资源,利用建筑物的占地面积以下的土地空间做成换热储能场,为建筑提供所需的空调和采暖能量,及作为生活热水能源储存地。同时可以在绿化带,停车场,花园和道路以下的空间设置换热储能场。

        从工程便于施工的角度、螺旋埋管是比较容易实施的埋管方式,其埋管深度在10m~30m之间,经济钻孔最小孔径为300mm,最大可利用建筑结构桩。

        地下换热储热场的传热过程和常规的传热过程有一个最大的不同点,即应该按传热→储能→传热的过程来分析和计算,在对应单位时间传热量在储热场中有一个滞后时间,所以换热储热场内的Ti是一个滞后时间平均温度。

        从传热学的角度分析问题,地下换热就是一个导热现象为主的热交换,对于管道内的对流换热来说、其在整个换热量中的比重很小、可以忽略不计,对于圆形管换热就是一个二维导热模式,螺旋埋管无疑是最好的换热方式,螺旋埋管是在垂直方向埋管的最好、也是最经济的换热模型,其计算公式为:

                    

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        在管内流速和管道周边材料为均值时,螺旋管在沿单位长度方向有一个线性温度微小变化,单根螺旋管的进出口温差就是这些微小温差之和。

                      

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        螺旋埋管形成的圆柱换热体,其换热模型还是圆形导热方式,在热传导上没有本质的变化,只是温度场变化成一个圆宝塔形,在圆柱体长度方向的温度差就是换热系统的进出口温差,既换热储能场系统温差∆T。

                      

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        (3)式表明了换热温度无论是微小变化、还是系统性变化,都是换热储能场的平均导热系数的单值函数。也就是说在有温度差存在的条件下、平均导热系数决定了换热储能场的换热能力。同理:当换热储能场一旦确定深度和岩土类别时,系统的换热温差就是换热管长的单值函数。其中λi又是材料中含水率的函数。

        换热储热场的夏季空调季节热量收集量,是夏季空调时间段建筑的总得热量:

                      

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        换热储热场的冬季采暖或空调季节吸热量,是冬季建筑所需的供热的总热量:

                     

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        在逐时逐月的负荷计算中,空调季节会有一个最大小时负荷值QLmax,采暖季节会有一个最大小时负荷值Qrmax,也可以用现在规范中的空调负荷计算值和采暖负荷计算值作为计算换热桩数的依据。        

                       

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        螺旋管组成的换热柱在传热中仍然是圆管换热模型的规律,只是在设计圆形换热体时需要遵循表面换热强度与周边介质的热物理特性相适于的原则,其传热量最好等于和小于周边介质的热物理特性能。同时要保证换热储热场的温度均匀性。

                      

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        换热柱的换热能力qh是初学者比较注重的问题,但是换热体的换热强度过高和换热管间距过小、都会造成系统的换热温度急剧升高,直接效果就是发生热泵主机停机保护。地质条件不同就会有不同的管道温差。换热柱布置的均匀度会直接影响换热储热场的温度场均匀度,管内流速过高会造成严重的水力失调、从而破坏温度场的均匀性,造成系统换热温差变化、影响系统能量供应。

        换热储热场的边界与大地之间的换热:

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        换热储热场的边界上的传热才是大家熟知的传热模式,(8)式也是大家再熟悉不过的公式,但其中两个温度Ti和Td是代表换热储热场内外每小时的温度变化值。在实际工程中都是一个进似的平均值。Td在过渡季节是一个反向传热的过程,对恢复温度场有明显的作用。由于有温度差的存在、换热储热场和周边大地同时存在不间断的换热现象。所以地源热泵地下换热场只要有足够长的停摆时间,对于恢复原始温度场是具备了“一个无限大的物体能量”对其的恢复能力。

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        当(9)式左边项大于或等于右边项时,地源热泵系统有很好的稳定性,可以让主机在高效率区间工作。反之系统可能经常发生停机保护问题,也就是系统的不稳定。

                      比较(1)和(9)式有:

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        通过(10)式调整变量V的尺度、控制 Tτ冬季不能低于5℃,夏季不能高于30℃,就能保证螺旋埋管地源热泵系统在高效区间运行,只有满足这些要求、才能体现地源热泵的优越性。

                      

                    热平衡问题:

            

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        当(11)式的值为正值、且满足该条件时,则表明换热储热场的热量堆积较多、温度偏高,应该利用热回收系统,做全年的生活热水供应,以减少温度场的堆积热量。当(11)式的值为负值、且满足该条件时,则表明换热储热场的取热量较多、温度偏低,应该增加一套太阳能热水系统,全年利用太阳能对地下温度场补充热量。

          一个稳定的换热储热场的管道水力平衡至关重要,水力平衡应该采用动态计算模式,才能有效地保证换热储热场的温度场到达均匀的效果。