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地源热泵技术的关键是地下换热器的设计

地源热泵空调在地下埋设管道作为换热器,管道与热泵机组连接形成闭式环路,管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下(供冷工况),或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热(供热工况)。
  热泵换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。
  目前地源热泵空调最常用的竖直埋管换热器就是由垂直埋入地下的U型管连接组成。竖直埋管可深可浅,须根据当地地质条件而定,如20m、30m ……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。例如天津地区地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。
  埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32等。竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。
  根据地质结构不同,钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300,有些地区地表土壤层很厚,为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。
  回填沙石或碎石换热效果比较好,而且施工容易、造价低,可广泛采用。竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。
  冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度,因为这个设定和整个空调系统有关。如夏季温度设定较低,对热泵压缩机制冷工况有利,机组耗能少,但埋管换热器换热面积要加大,即钻孔数要增加,埋管长度要加长。反之温度设定较高,钻孔数和埋管长度均可减少,可节省投资,但热泵机组的制冷系数cop值下降,能耗增加。

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