某储备站办公楼地源热泵系统设计

某储备站办公楼地源热泵系统设计
杨伟 张淑华 杨琳琳 薛思浩 孙跃
（1、辽宁工程技术大学 建筑与工程学院 辽宁 阜新 123000
 (2、阜新市细河区城乡建设管理局村镇建设办公室 辽宁 阜新 123000）

 摘要：为了理解和掌握地源热泵系统工程技术规范[1] ，推广应用地源热泵技术，对某储备站办公楼工程负荷按规范进行了计算，得出了热负荷指标，对地热换热器了详细计算。指出传热介质与U形管内壁的对流换热系数、地层热阻、短期连续脉冲负荷引起的附加热阻三部分计算内容不易实施；规范[1]附录B中的公式（B.0.1-5）公式和（B.0.1-7）应阐述具体的应用条件，对钻孔间距应表达清晰；钻孔灌浆回填材料热阻和地层热阻对地埋管热阻影响最大，所以合理地选择回填料、确定地埋管布管形式和埋管间距显得至关重要。

关键词：地热换热器；计算参数；传热理论；规范  

Design of ground source heat pump system of a reserve station

Yang Wei1  ，ZHANG Shu-hua 2，Yang Linlin1 ，Xue Sihao1，Sun Yue1

(1College of Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

2Urban and rural construction administration bureau, countryconstruction office, Xi he district, Fuxin 123000, China))

Abstract: In order to understand and master the ground source heat pump system technical specifications and to promote the use of ground source heat pump technology, the calculation of the heating load of a reserve station shows the heating load index by specification, and the geothermal heat exchanger were calculated in detail.This paper points out it is not easy to implement the calculation of the heat transfer coefficient of heat transfer medium and U-shaped tube wall, thermal resistance of formation and additional resistance caused by short-term continuous pulse load. The specific application conditions shoud be described in formula (B.0.1-5) formula and (B.0.1-7) of ppendix B in specification [1] and the expression of the drilling distance should be clear. The thermal resistance of drilling grouting filler and formation make the greatest impact on the thermal resistance of buried pipe.So it is important to make the reasonable choice of the filler and the determination of the form of buried pipe and pipe distance.
Keywords: ground heat exchanger; computational parameters; heat transfer theory; specification

1 引言
    地壳上部的温度主要受太阳辐射热和地球内部热量的影响[2]。地壳中温度分布大体可分为三个带：变温带、常温带、增温带。变温带靠近地表的最上层部分，地温主要受太阳辐射热量影响，日变温带深度1~2米，年变温带深度15~20米；常温带是地球内部热能与上层变温带的影响在这区域内处于相对平衡，温度变化幅度小于观测误差的区域；增温带是受地球内部热量影响较大的区域，增温带内的温度随其深度而增加。地源热泵系统是利用200米以内的浅层地壳中储存的热能资源对建筑进行供热与供冷，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。本工程建筑面积较小，作为实例计算步骤较详细、典型，以便帮助地源热泵工作者更好的理解使用规范。
    储备站办公楼坐落阜新市郊区,位置偏僻。位于东经122°，北纬42°，为北温带大陆型季风气候区，年平均气温为8.8℃。最冷月（1月）平均气温在-4.5～8℃之间。最热月（七月）平均气温在24℃上下，平均相对湿度61％，最大相对湿度78％，最小相对湿度48％。平均冻土深度1.11米，最大冻土深度1.48米，最小冻土深度0.68米。开发商原计划采用冬季集中供暖，但由于距供热主干管较远,敷设管道成本较高，且供暖温度不易保证，又由于供暖费连年涨价 ,经综合分析论证决定改用地埋管地源热泵系统, 冬季供暖,夏季供冷。

2 工程概况、空调系统负荷计算
2．1 工程概况
    储备站办公楼建筑面积为1248.98平方米,共三层，室内外高差0.3米，每层层高3.3米，总高度10.2米。建筑设计采用节能措施，建筑设计体形系数为0.369，大于0.3，按[3]第4.1.2条屋顶和外墙应加强保温，其传热系数应符合表 4.2.1 的规定。墙体保温层采用50毫米厚XPS板，建筑外墙传热系数0.43W/m2K；面顶保温层采用120毫米厚阻燃型聚苯板，密度为18~20Kg/m3，建筑屋面传热系数0.34W/m2K；门窗采用气密性良好的门窗，其气密性等级不低于现行国家标准[4]规定的四级水平；外墙周边地面垫层下铺2000毫米宽阻燃型聚苯板100毫米厚, 建筑地面传热系数0.44W/m2K。一层由办公室、卫生间组成,二层由办公室、休息室、卫生间等组成,三层由办公室、会议室、卫生间等组成。根据地质勘察资料，储备站办公楼所在地地下耕表土底层深1.2米、粉质粘土底层深2.8米、粉土底层深4.3米、中砂土底层深7.8米、砾砂含角砾底层深69.7米，土壤平均导热系数为2.141 W/ (m •K)。回填材料采用10%膨润土、90%砂子的混合物，导热系数为2.2 W/ (m •K) ；岩土体的平均热扩散率取1.076×10-6m2/s。
2 .2 空调系统负荷计算
空调设计冷、热负荷是最基本的数据，它直接影响方案、设备容量的选择以及系统的使用效果和运行成本。设计冷、热负荷的计算方法与常用空调系统完全形同。详见参考文献 [5、6、7、8、9]。本工程设计热负荷：一层、顶层房间41.23K W，二层负荷10.71 K W，冬季总负荷51.94K W；夏季一层、顶层房间冷负荷34.32 K W ，二层冷负荷8.91K W ，夏季总冷负荷43.23K W。

3 地源热泵系统
3.1 地埋管换热器[10~12]
    地源热泵系统中，地埋管换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是该项技术研究的核心和应用的基础；地埋管换热器的设计也是地源热泵系统设计的关键。地埋管换热器通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭的地下埋管中流动，实现系统与土壤之间的传热。地埋管可分为水平埋管与竖直埋管两大类。在软土地区使用水平埋管，其优点是造价较低,但传热效果会受到外界气候的影响，且占地面积大，通常不适合我国人多地少的国情。竖直埋管是在若干竖直钻孔中设置地埋管，根据在钻孔中的布置形式，地埋管换热器可分为单U形、双U形、螺旋形。灌注桩埋管等。
3．2选择换热器管材
    目前国际上广泛采用的高密度聚乙烯（美国牌号PE3408）管材，壁厚（强度）推荐按SDR11选取，管径（内径）通常采用20－40mm。管径的选择应根据热泵本身换热器的流量要求以及选用的埋管形式确定。即一方面管中流体的流速应足够大，使其在管中产生湍流以利于传热，另一方面，该流速又不应过大，以使循环泵的功耗保持在合理的范围内，管内设计流速一般为0.6~1m/s。设计中采用的是国产高密度聚乙烯管，内径为26mm，外径为32mm。管内设计流速为0.6m/s。
3．3地下换热器换热量计算[1]
    地源热泵系统实际最大释热量发生在建筑物冷负荷最大的时段，阜新地区为七月。包括：各热泵机组释放到循环水中的热量（空调分区冷负荷和机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水的最大热负荷。即：
QC = Q1  ×（1+1/EER） +∑输送过程得热量+∑水泵释放热量      (1)
式中，Q1 为空调分区冷负荷；ERR为热泵机组制冷时的能效比,4.2。
注：因输送过程的得热量、水泵释放热量与管路的长短、水泵运行工况等都有关，夏季该两项一般按机组压缩机功耗的30％计算；即上述公式可简化为：
QC = Q1 ×（1+1.3/EER）                                         (2)
因此夏季地下换热器的设计换热功率分别为：
QC = Q1 ×（1+1.3/EER）=43.23（1+1.3/4.2）=56.61kw
地源热泵系统实际最大吸热量发生在建筑物热负荷最大的时段，阜新地区为一月。包括：各空调分区内热泵机组从循环水中的吸热量（空调分区热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到水中的热量。将上述前两项相加项并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的最大吸热负荷。即：
Qh = Q2 ×（1-1/COP）+Σ输送过程损失的热量 - Σ水泵释放热量       (3)
式中，Q2为建筑热负荷，kW；COP热为热泵机组制热时的性能系数,3.0。
注：因输送过程的损失热量、水泵释放热量与管路的长短、水泵运行工况等都有关，公式中后两项（一项为失热量，另一项为得热量）相互抵消，即上述公式可简化为：
    Qh = Q2  ×（1-1/COP）                                           (4)
因此冬季地下换热器的设计换热功率分别为：
Qh = Q2 ×（1-1/COP）=51.94（1-1/3.0）=34.62KW
根据最大吸热负荷和最大释热负荷，分别计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者为地埋管换热器的设计长度。
3．4 确定循环液（水）的温差与流量
设计选定夏季循环液（水）进、出冷凝器的温度分别为27℃和31℃，即温差为4℃，则循环液最大流量按下式计算；

                                             (5)
式中,为循环液比定压热容，4.178KJ/Kg； 为循环液温差4℃。
因此循环液最大流量为：

 
 设计选定冬季循环液（水）进、出循环液（水）进、出蒸发器的温度分别为8℃和5℃，即温差为3℃，则循环液最大流量按下式计算；

 
按夏季循环液流量确定循环液最大流量为12.19 。
3．5地下换热器钻孔数
地埋管总过流断面应根据热泵机组热交换的流量要求以及循环液的流速来确定。按下式计算；

                                                                 (6)
式中，  为地下换热器钻孔数； 为地埋管内径m；  为循环液流速m/s。
因此地下换热器钻孔数为：

 
由于换热器钻孔数较少，因此按单排孔排列，间距8米。
3．6 确定换热器钻孔长度
竖直地埋管换热器计算按[1]附录B计算。
（1） 传热介质与u形管内壁的对流换热热阻可按下式计算：

                                           (7)             
式中 ， Rf为传热介质与U形管内壁的对流换热热阻(m•K／W)；di为U形管的内径0.026m；K为传热介质与U形管内壁的对流换热系数[w／(m2•K)]。
查[13]附录10得平均温度29℃和7℃水的运动粘性系数 、努西尔数 、普朗克数，并按[13]公式计算出夏季、冬季传热介质与U形管内壁的对流换热系数K为2892.18 w／(m2•K)和2284.90 w／(m2•K)，带入公式(7)计算出夏季、冬季传热介质与U形管内壁的对流换热热阻Rf为4.24×10-3m•K／W、5.36×10-3 m•K／W)。
（2） U形管的管壁热阻可按下列公式计算：

                                 (8)
                                                 (8)
式中， Rpe为U形管的管壁热阻(m•K／W)；λp为U形管导热系数，0.41w／(m•K)；do为U形管的外径，0.032m；de为U形管的当量直径(m)；对单u形管，de为1.414do。
带入公式(8)计算出U形管的管壁热阻为0.0553m•K／W。
（2） 钻孔灌浆回填材料的热阻可按下式计算：

                   
                                                                  (9)
式中， Rb为钻孔灌浆回填材料的热阻(m•K／w)；λb为灌浆材料导热系数，2.2w／(m•K)；db为钻孔的直径，0.13m。
带入公式(9)计算出钻孔灌浆回填材料的热阻为0.076m•K／W。
（4）地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下列公式计算：  　根据经验，当钻孔之间的距离大于8米时，地埋管的增加对地层热阻的影响幅度变化呈逐步递减的趋势，特别当布置形式超过8×8时，地埋管的增加对地层热阻的影响已基本不变了，本工程按单孔计算满足工程需要。对于单个钻孔：

                                    (10)                       

式中，Rs为地层热阻(m•K／W);I为指数积分公式；λs为岩土体的平均导热系数，2.141 W/ (m •K)；a为岩土体的热扩散率，1.076×10-6m2/s ；rb为钻孔的半径，0.080m；τ为运行时间(s)，夏季工况，系统设计运行时间为50天，每天运行98小时，即取1440000s；冬季工况，系统设计运行时间为184天，每天运行8小时，即取7948800s。
带入公式(10)计算出地层夏季、冬季热阻分别为0.2128 m•K／W、0.2763m•K／W。
（5）短期连续脉冲负荷引起的附加热阻可按下式计算：

                                                                 (11)
式中，Rsp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻(m•K／W)；τp为短期脉冲负荷连续运行的时间，2h。
带入公式(11) 计算短期连续脉冲负荷引起的附加热阻为0.0157m•K／W。
竖直地埋管换热器钻孔的长度计算宜符合下列要求；
（6）制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

(12)  (13)
  

 式中， Lc制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；Qc水源热泵机组的额定冷负荷，56.61kw； EER水源热泵机组的制冷性能系数，4.2；tmax制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，35℃；t∞埋管区域岩土体的初始温度，18℃；Fc制冷运行份额；Tc1一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，400小时；Tc2一个制冷季中的小时数，1472小时。
带入公式(12)、(13) 得制冷工况下制冷运行份额为0.2717，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度为844.33米。
（7）供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

(14) (15)

式中， Lh供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；Qh水源热泵机组的额定热负荷，34.62KW；COP水源热泵机组的供热性能系数，3.0；t∞埋管区域岩土体的初始温度，14℃；tmin供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取5℃；Fh供热运行份额；Th1一个供热季中水源热泵机组的运行小时数，248小时；Th2一个供热季中的小时数，1472小时。
带入公式(14)、(15) 得供热工况下供热运行份额为0.1685，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度为503.33米。
根据计算结果，选择夏季制冷工况下竖直地埋管换热器钻孔的长度844.33米为钻孔长度。

4 结语
1) 规范[1]自实施，对地源热泵空调技术在我国健康快速的发展和应用起到了很好的指导和规范作用。土壤耦合热泵技术能否被广泛推广应用，很大程度上取决于精确、可靠的系统设计方法和计算工具的有效性。完善地下埋管换热器的传热模型，使其更好地模拟真实换热过程，以及确定最佳的埋管换热器的设计是规范应达到的作用。然而规范中诸如传热介质与U形管内壁的对流换热系数、地层热阻、短期连续脉冲负荷引起的附加热阻三部分计算内容使用不便，建议对其采用简化方法进行表述，以利于广大的地源热泵工作者使用。
2) 规范[1]附录B（B.0.1-5）公式和（B.0.1-7）公式没有阐述具体的应用条件，实际使用的单个钻孔换热器情况是罕见的。大量研究结果显示随着地埋管数量的增加，地层热阻的增加幅度越来越小，特别当布置形式超过8米×8米时，地埋管的增加对地层热阻的影响已基本不变了，在进行地埋管计算时，当布管根数较多，钻孔间距超过8米×8米时，可以仅考虑8米×8米的布管形式，其余地埋管可以基本不考虑，也就是按单根管考虑进行计算。本工程钻孔间距8米，按单孔计算。
3) 从整个地埋管计算过程来看，钻孔灌浆回填材料热阻和地层热阻对地埋管热阻影响最大，所以合理地选择回填料，以及确定布管形式和间距显得至关重要。由于岩土热物性非常复杂的，导致竖直地埋管换热器的传热理论和研究方法有所突破非常困难，至使规范[1]在某些部分表述困难。建议在条文解释部分增加计算实例，以便帮助地源热泵工作者更好的理解使用规范。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。