暖通空调热泵技术课件图文-第6章-土壤耦合热泵空调系统
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可以有效地降低成本，但是同时也存在着一些缺点和问题有待解决
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
间接膨胀式的热泵系统，土壤先与地埋管换热器内循环水泵驱动的中间 传热介质进行热量交换，中间传热介质从土壤中吸热或向土壤放热，然 后中间传热介质将冷（热）量通过热泵机组实现供热和制冷循环。
它与直接膨胀型相比可以减少制 冷剂的充灌量，增加了热泵系统 的灵活性，同时减免了制冷管路 的安装，使现场工程量减至最低 。
➢ 当然直接膨胀式系统也存在着一些缺点：存在地下铜管腐蚀和泄漏问题 ，由于其地下盘管的内部容积大于间接膨胀式系统，因此制冷剂的充注 量相应也多一些。
影响防冻液选择的因素主要有：凝固点、周围环境的影响、费用和可用 性、热传导、压降特性以及与土壤耦合热泵系统中所用材料的相容性。
由于防冻液的密度、黏度、比热和热导率等物性参数与纯水都有一定的 差异，这将影响冷凝器（制冷工况）和蒸发器（制热工况）内的换热效 果，从而影响整个热泵机组的性能。
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直地埋管换热器的优点是占地少、工作性能稳定等。根据在竖直钻孔 中布置的埋管形式的不同，竖直地埋管换热器又可分为U形地埋管换热 器与套管式地埋管换热器。套管式地埋管换热器在造价和施工方面都有 一些弱点，在实际工程中较少采用。
6.4 地埋管换热器的布置形式
选择水平埋管还是竖直埋管的另一个需要考虑的因素是建筑物高度。 如果地下埋管和建筑物内管路间没有用热交换器隔开，竖直埋管换热 器的埋深将受到地下埋管（SDR11）的最大额定承压能力的限制。工 程上应进行相应计算，以验证系统最下端管道的静压是否在管路最大 额定承压范围内。若其静压超过地埋管换热器的承压能力时，可设中 间换热器将地埋管换热器与建筑物内系统分开。
第六章 土壤耦合热泵空调系统
第六章 土壤耦合热泵空调系统
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介 6.2 现场调查与工程勘察 6.3 地埋管换热器的管材与传热介质 6.4 地埋管换热器的布置形式 6.5 地埋管换热器的传热计算 6.6 地埋管换热器系统的水力计算 6.7 地埋管换热器的安装 6.8 直接膨胀式土壤源热泵系统
设计地埋管换热器时，环 路集管不包括在地埋管换 热器总长内
6.6 地埋管换热器系统的水力计算
1 压力损失计算
(1)确定管内流体的流量G，m3/h和公称直径； (2)根据公称直径，确定地埋管的内径dj，m2； (3)计算地埋管的断面面积A，m2； (4)计算管内流体的流速V
➢ 应注意，地埋管换热器内流体流动应为紊流，流速应大于0.4m/s (5)雷诺数Re的计算，Re应该大于2300以确保紊流。 (6)计算管段的沿程阻力损失Py (7)计算管段的局部阻力损失Pj (8)计算管段的总阻力损失PZ
其缺点在于引入带有热交换器的 额外流体环路，增加了初投资， 还带来额外的温降。为此应尽可 能地优化设计水回路，改善载冷 剂的流体性质。
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
设计计算前的准备工作是通过现场勘察、水文地质调查、设置测试孔 和监测孔以及热响应试验等，为方案选择与决策提供依据，同时也为 设计计算提供设计材料和基础依据。
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
27
6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
28
6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
29
6.4 地埋管换热器的布置形式
串联 并联
6.4 地埋管换热器的布置形式
6.5 地埋管换热器的传热计算
竖直地埋管换热器的长度
竖直地埋管换热器布置方式和管材选定后，应通过计算确定其长度。 计算时应考虑管材、岩土体及回填材料热物性、传热介质的物性及流 动状态、热泵机组特性及建筑物的冷（热）负荷等因素。为了确保计 算结果的准确性，建议采用专用软件进行。
（1）《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》 推荐的设计计算方法
➢ ① 竖直地埋管换热器的热阻计算 ➢ ② 竖直地埋管换热器钻孔的长度计算
6.5 地埋管换热器的传热计算
（2）按现场测试获得的单位钻孔深度（或管长）的换热 量确定其长度
6.5 地埋管换热器的传热计算
（3）按线算图确定竖直地埋管换热管的孔深与管长
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
6.1 土Fra Baidu bibliotek耦合热泵空调系统简介
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
根据是否存在中间传热介质，可以分为直接膨胀式和间接膨胀式。 直接膨胀式土壤耦合热泵是将低温低压的液态制冷剂（或高温高压的
气态制冷剂）直接送入地下埋管内，制冷剂蒸发（或冷凝），直接与 土壤进行换热。
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
传热介质
传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其他介质： ➢ （1）安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应； ➢ （2）较低的凝固点； ➢ （3）良好的传热特性，较低的摩擦阻力； ➢ （4）易于购买、运输和储藏。
在传热介质有可能冻结的场合，传热介质应添加防冻液。应在充注阀处 注明防冻液的类型、浓度及有效期。为了防止出现结冰现象，添加防冻 液后的传热介质的凝固点宜比设计最低运行水温低3~5℃。
6.7 地埋管换热器的安装
地埋管换热系统的检验与水压试验
（1）地埋管换热系统的检验 （2）地埋管水压试验 （3）水压试验步骤 （4）水压试验方法
6.8 直接膨胀式土壤源热泵系统
与间接膨胀式土壤耦合热泵相比，直接膨胀式土壤耦合热泵 特点有：
➢ ① 系统效率高。与间接膨胀式系统相比，DX-GCHP系统少了中间换热器 和循环水泵，没有中间换热损失和循环水泵功耗，因而系统效率较高。
6.4 地埋管换热器的布置形式
水平埋管
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直埋管 考虑到我国人多地少的实际情况，在大多数情况下竖直埋管方式是惟
一的选择，它已成为工程应用中的主导形式。
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直埋管 采用竖直埋管换热器时，每个钻孔中可设置一组或两组U形管。
尽管单U形埋管的钻孔内热阻比双U 形埋管大30%以上，但实测与计算 结果均表明：双U形埋管比单U形埋 管仅可提高15%~20%的换热能力 ，这是因为钻孔内热阻仅是埋管传 热总热阻的一部分。
6.6 地埋管换热器系统的水力计算
2 循环泵的选择
根据地埋管换热系统水力计算的设计流量环路总的阻力损失，再分别加 10％～20％的安全系数后作为选择循环泵组时所需要依据的流量和扬 程
在选择中应注意： ➢ ① 如选两台泵，应选择其工作特性曲线平坦型的。 ➢ ② 水泵长时间工作点应位于最高效率点附近的区间内。
1 埋管方式
可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。 水平埋管方式在软土地区造价较低，但传热条件受外界气候条件的影响
、占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。当可利用地表面积 较大、地表层不是坚硬的岩石、建筑物规模小时宜采用水平地埋管换热 器。水平埋管时根据一条沟中埋管的多少和方式又分为单管、双管、多 管和螺旋管等多种形式。
6.2 现场调查与工程勘察
1 现场勘察 2 水文地质调查 3 设置测试孔与监测孔 4 土壤热响应实验
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
地埋管管材
➢ 《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》：
➢ （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（PE80或PE100）或聚丁烯管 （PB），不宜采用聚氯乙烯管（PVC）。管件与管材应用相同的材料 。
对于实际工程计算，常采用半经验公式进行设计计算。
以下介绍三种方法 ➢ （1）《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》推荐的设计
计算方法 ➢ （2）按现场测试获得的单位钻孔深度（或管长）的换热量确定其长
度 ➢ （3）按线算图确定竖直地埋管换热管的孔深与管长
6.5 地埋管换热器的传热计算
之后进行的是地埋管换热器的传热分析，地埋管换热器的传热计算即 地埋管的设计计算过程，包括是否采用土壤耦合热泵系统形式的方案 决策与选择阶段、设计计算材料的搜集和准备阶段以及具体的设计计 算阶段。分析决定具体采用哪一种设计计算方法。
最后就是具体的设计计算过程。介绍目前普遍采用的三种计算方法， 这三种方法各有其适用范围，也各有其优势及缺点，设计时应根据实 际情况的不同来选用适当的计算方法。
6.7 地埋管换热器的安装
6.7 地埋管换热器的安装
水平埋管
管道安装可伴随着挖沟同 步进行。挖沟可使用挖掘机 或人工挖沟。如采用全面敷 设水平埋管的方式设置换热 器，也可使用推土机等施工 机械，挖掘埋管场地.
6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
➢ ② 占地面积较小。由于铜的导热系数高于聚乙烯数十倍以上，管内制冷 剂流速大于间接膨胀式系统内水的流速，管内制冷剂和周围土壤传热温 差大，因此单位地下钻孔深度的换热率较高，所需的钻孔深度较小，即 所需占地面积要小一些。
➢ ③ 系统形式简单。DX-GCHP系统省去水/水中间换热器、中间换热环路 、水泵及其辅助部件等设备，因而系统形式显得更为简单。
➢ （2）地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压 力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0MPa。
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
管材规格和压力级别
我国国家标准给出了地埋管换热器管道外径尺寸标准和管道的压力级 别。地埋管外径及壁厚可按表6-1和表6-2的规定选用。相同管材的管 径越大，其管壁越厚。
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
间接膨胀式的热泵系统，土壤先与地埋管换热器内循环水泵驱动的中间 传热介质进行热量交换，中间传热介质从土壤中吸热或向土壤放热，然 后中间传热介质将冷（热）量通过热泵机组实现供热和制冷循环。
它与直接膨胀型相比可以减少制 冷剂的充灌量，增加了热泵系统 的灵活性，同时减免了制冷管路 的安装，使现场工程量减至最低 。
➢ 当然直接膨胀式系统也存在着一些缺点：存在地下铜管腐蚀和泄漏问题 ，由于其地下盘管的内部容积大于间接膨胀式系统，因此制冷剂的充注 量相应也多一些。
影响防冻液选择的因素主要有：凝固点、周围环境的影响、费用和可用 性、热传导、压降特性以及与土壤耦合热泵系统中所用材料的相容性。
由于防冻液的密度、黏度、比热和热导率等物性参数与纯水都有一定的 差异，这将影响冷凝器（制冷工况）和蒸发器（制热工况）内的换热效 果，从而影响整个热泵机组的性能。
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直地埋管换热器的优点是占地少、工作性能稳定等。根据在竖直钻孔 中布置的埋管形式的不同，竖直地埋管换热器又可分为U形地埋管换热 器与套管式地埋管换热器。套管式地埋管换热器在造价和施工方面都有 一些弱点，在实际工程中较少采用。
6.4 地埋管换热器的布置形式
选择水平埋管还是竖直埋管的另一个需要考虑的因素是建筑物高度。 如果地下埋管和建筑物内管路间没有用热交换器隔开，竖直埋管换热 器的埋深将受到地下埋管（SDR11）的最大额定承压能力的限制。工 程上应进行相应计算，以验证系统最下端管道的静压是否在管路最大 额定承压范围内。若其静压超过地埋管换热器的承压能力时，可设中 间换热器将地埋管换热器与建筑物内系统分开。
第六章 土壤耦合热泵空调系统
第六章 土壤耦合热泵空调系统
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介 6.2 现场调查与工程勘察 6.3 地埋管换热器的管材与传热介质 6.4 地埋管换热器的布置形式 6.5 地埋管换热器的传热计算 6.6 地埋管换热器系统的水力计算 6.7 地埋管换热器的安装 6.8 直接膨胀式土壤源热泵系统
设计地埋管换热器时，环 路集管不包括在地埋管换 热器总长内
6.6 地埋管换热器系统的水力计算
1 压力损失计算
(1)确定管内流体的流量G，m3/h和公称直径； (2)根据公称直径，确定地埋管的内径dj，m2； (3)计算地埋管的断面面积A，m2； (4)计算管内流体的流速V
➢ 应注意，地埋管换热器内流体流动应为紊流，流速应大于0.4m/s (5)雷诺数Re的计算，Re应该大于2300以确保紊流。 (6)计算管段的沿程阻力损失Py (7)计算管段的局部阻力损失Pj (8)计算管段的总阻力损失PZ
其缺点在于引入带有热交换器的 额外流体环路，增加了初投资， 还带来额外的温降。为此应尽可 能地优化设计水回路，改善载冷 剂的流体性质。
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
设计计算前的准备工作是通过现场勘察、水文地质调查、设置测试孔 和监测孔以及热响应试验等，为方案选择与决策提供依据，同时也为 设计计算提供设计材料和基础依据。
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
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6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
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6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
回填封孔与土壤 热物性测定
环路集管连接
29
6.4 地埋管换热器的布置形式
串联 并联
6.4 地埋管换热器的布置形式
6.5 地埋管换热器的传热计算
竖直地埋管换热器的长度
竖直地埋管换热器布置方式和管材选定后，应通过计算确定其长度。 计算时应考虑管材、岩土体及回填材料热物性、传热介质的物性及流 动状态、热泵机组特性及建筑物的冷（热）负荷等因素。为了确保计 算结果的准确性，建议采用专用软件进行。
（1）《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》 推荐的设计计算方法
➢ ① 竖直地埋管换热器的热阻计算 ➢ ② 竖直地埋管换热器钻孔的长度计算
6.5 地埋管换热器的传热计算
（2）按现场测试获得的单位钻孔深度（或管长）的换热 量确定其长度
6.5 地埋管换热器的传热计算
（3）按线算图确定竖直地埋管换热管的孔深与管长
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
6.1 土Fra Baidu bibliotek耦合热泵空调系统简介
6.1 土壤耦合热泵空调系统简介
根据是否存在中间传热介质，可以分为直接膨胀式和间接膨胀式。 直接膨胀式土壤耦合热泵是将低温低压的液态制冷剂（或高温高压的
气态制冷剂）直接送入地下埋管内，制冷剂蒸发（或冷凝），直接与 土壤进行换热。
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
传热介质
传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其他介质： ➢ （1）安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应； ➢ （2）较低的凝固点； ➢ （3）良好的传热特性，较低的摩擦阻力； ➢ （4）易于购买、运输和储藏。
在传热介质有可能冻结的场合，传热介质应添加防冻液。应在充注阀处 注明防冻液的类型、浓度及有效期。为了防止出现结冰现象，添加防冻 液后的传热介质的凝固点宜比设计最低运行水温低3~5℃。
6.7 地埋管换热器的安装
地埋管换热系统的检验与水压试验
（1）地埋管换热系统的检验 （2）地埋管水压试验 （3）水压试验步骤 （4）水压试验方法
6.8 直接膨胀式土壤源热泵系统
与间接膨胀式土壤耦合热泵相比，直接膨胀式土壤耦合热泵 特点有：
➢ ① 系统效率高。与间接膨胀式系统相比，DX-GCHP系统少了中间换热器 和循环水泵，没有中间换热损失和循环水泵功耗，因而系统效率较高。
6.4 地埋管换热器的布置形式
水平埋管
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直埋管 考虑到我国人多地少的实际情况，在大多数情况下竖直埋管方式是惟
一的选择，它已成为工程应用中的主导形式。
6.4 地埋管换热器的布置形式
竖直埋管 采用竖直埋管换热器时，每个钻孔中可设置一组或两组U形管。
尽管单U形埋管的钻孔内热阻比双U 形埋管大30%以上，但实测与计算 结果均表明：双U形埋管比单U形埋 管仅可提高15%~20%的换热能力 ，这是因为钻孔内热阻仅是埋管传 热总热阻的一部分。
6.6 地埋管换热器系统的水力计算
2 循环泵的选择
根据地埋管换热系统水力计算的设计流量环路总的阻力损失，再分别加 10％～20％的安全系数后作为选择循环泵组时所需要依据的流量和扬 程
在选择中应注意： ➢ ① 如选两台泵，应选择其工作特性曲线平坦型的。 ➢ ② 水泵长时间工作点应位于最高效率点附近的区间内。
1 埋管方式
可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。 水平埋管方式在软土地区造价较低，但传热条件受外界气候条件的影响
、占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。当可利用地表面积 较大、地表层不是坚硬的岩石、建筑物规模小时宜采用水平地埋管换热 器。水平埋管时根据一条沟中埋管的多少和方式又分为单管、双管、多 管和螺旋管等多种形式。
6.2 现场调查与工程勘察
1 现场勘察 2 水文地质调查 3 设置测试孔与监测孔 4 土壤热响应实验
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
地埋管管材
➢ 《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》：
➢ （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（PE80或PE100）或聚丁烯管 （PB），不宜采用聚氯乙烯管（PVC）。管件与管材应用相同的材料 。
对于实际工程计算，常采用半经验公式进行设计计算。
以下介绍三种方法 ➢ （1）《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）》推荐的设计
计算方法 ➢ （2）按现场测试获得的单位钻孔深度（或管长）的换热量确定其长
度 ➢ （3）按线算图确定竖直地埋管换热管的孔深与管长
6.5 地埋管换热器的传热计算
之后进行的是地埋管换热器的传热分析，地埋管换热器的传热计算即 地埋管的设计计算过程，包括是否采用土壤耦合热泵系统形式的方案 决策与选择阶段、设计计算材料的搜集和准备阶段以及具体的设计计 算阶段。分析决定具体采用哪一种设计计算方法。
最后就是具体的设计计算过程。介绍目前普遍采用的三种计算方法， 这三种方法各有其适用范围，也各有其优势及缺点，设计时应根据实 际情况的不同来选用适当的计算方法。
6.7 地埋管换热器的安装
6.7 地埋管换热器的安装
水平埋管
管道安装可伴随着挖沟同 步进行。挖沟可使用挖掘机 或人工挖沟。如采用全面敷 设水平埋管的方式设置换热 器，也可使用推土机等施工 机械，挖掘埋管场地.
6.7 地埋管换热器的安装
竖直埋管
放线、钻孔
U形管现场组装、 试压与清洗
下管与二次试压
➢ ② 占地面积较小。由于铜的导热系数高于聚乙烯数十倍以上，管内制冷 剂流速大于间接膨胀式系统内水的流速，管内制冷剂和周围土壤传热温 差大，因此单位地下钻孔深度的换热率较高，所需的钻孔深度较小，即 所需占地面积要小一些。
➢ ③ 系统形式简单。DX-GCHP系统省去水/水中间换热器、中间换热环路 、水泵及其辅助部件等设备，因而系统形式显得更为简单。
➢ （2）地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压 力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0MPa。
6.3 地埋管换热器的管材与传热介质
管材规格和压力级别
我国国家标准给出了地埋管换热器管道外径尺寸标准和管道的压力级 别。地埋管外径及壁厚可按表6-1和表6-2的规定选用。相同管材的管 径越大，其管壁越厚。