文档介绍：地源热泵地埋换热器的施工安装
引言
按照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的规定,地源热泵系统是指利用地下土壤、地表水、地下水温度稳定的特性,通过消耗少量电能,将土壤中低品位的能量进行提升,供末端空调采暖设备使用或提供生活热水的系统装置,包括3种不同的系统形式:利用土壤作为冷热源的土壤源热泵(也有资料文献称为地下耦合热泵系统或叫地下热交换器热泵系统);以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统;利用地表水为冷热源的地表水热泵系统。
地源热泵系统将制冷、制热功能合一,可以取代锅炉或热力及空调冷源为建筑供热、供冷和提供生活热水。地源热泵系统最大优势是可以利用低品位的能源,并将其进行有效的能量提升并加以利用,是实现国家节能减排目标的有效应用技术。
在地源热泵的三种系统形式中,采用地埋热换器的土壤源热泵的施工难度最大,所以一直是地源热泵技术的核心技术所在,应进行合理的设计、施工与安装。
1 地埋管换热器的设计
地埋管换热器必须与热泵机组和空调末端系统进行优化匹配,地源热泵系统才能正常工作。因此,设计关键主要集中在地下部分,包括冷热负荷的确定、地下换热器的选型和布置形式等。
地埋管换热器不是两种流体之间的换热,而是埋管中的流体与固体(地层)的换热,因此与传统的换热器传热计算有着很大的不同。计算宜根据现场实测岩土体和回填料热物性参数(可按照《地源热泵系统工程技术规范》附录B选取)进行计算,也可以采用专用的计算软件计算。地埋管热换器的最终计算结果应结合换热器的具体形式以及地埋管道长度、井数、井间距和井深来描述。
在理论计算上,地埋热换器系统应按照全年动态负荷进行计算,最小计算周期为1年,当冷热负荷不平衡时,计算周期可取到十几年或更长时间,在计算周期内,总吸收热量应与总释放量相平衡。设计时应注意最大释热量(末端最大冷负荷时)与最大吸热量(末端最大热负荷时)之间的关系,分别计算所需负荷计算埋地换热器管道长度,相差不大时,宜通过技术经济比较确定,有时需要采用辅助冷热源进行调峰。在设计过程中,应重视对地源热泵系统设计的基础资料的准确性和真实性进行鉴别,特别是水文地质、地表情况、试验井(坑)、水质等资料,以免造成系统不正常运行。
有专家通过应用有限单元法对土壤热源地下U型垂直管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟,找出了U型垂直埋管向地下放热量与埋管的埋深及埋管的热作用半径的对应关系,为U型垂直埋管换热器的埋深、数量、及间距的设计提供了参考依据。
地埋管换热器土壤端取热率的估算数值可参见表1,可作为设计的参考依据使用。
由于地埋管换热器管需要长期埋于地下工作,首先考虑的是使用寿命,因此从材料选择上应选择耐腐蚀、寿命长的材料,其次要求其热交换效率要高、宜加工、造价低的材料。地埋管道采用聚乙烯管(PE80或PE100)、聚丁烯管(P8),不宜使用氯乙烯(PVC)管。管道与管件应使用相同的材料,管道的公称压力及使用温度应满足设计要求,通常根据系统的净水压和增压考虑管道的承压,按照管道的标准尺寸比SDR(SDR=外径/壁厚)或管系列(许用环向应力与额定压力之比)S(S=(SDR-1)/2进行选择。。
2 地埋管换热器的埋管与连接方式
土壤源热泵地埋管换热器有多种形式,分为开式和闭式,多采用闭式系统,闭式换热器系统的埋管形式又分为水平埋管和竖直埋管两种形式,这两种埋管形式各有特点和应用环境要求。
水平埋管通常采用浅层敷设,在软土地区较为合适,可以不设坡度,,。由于开外技术要不高,初投资较竖直埋管低,但其占地面积打,不适合我国地少人多的国情,目前国内较少采用。为增加有效换热长度,目前多采用螺旋式布管方式,水平埋管方式参见图1。
竖直埋管换热器的构造有多种,主要有竖直套管与竖直U形埋管,每个钻孔中可以设置1组或2组U形管,U形管管径一般在50mm以下,其埋管深度取决与可提供的场地面积以及施工工艺和技术,,钻孔的深度一般为60-100m。国外最深的U型管埋深已超过180m。井数、井位、井深应根据负荷、布管方式等情况确定,井孔的间距多在4-6m之间。
有试验报告显示因为钻孔内热阻仅是埋管传热总热阻的一部分,而孔外的岩土层热阻都是相同的,双U形埋管只比单U形埋管提高15%-20%的热换能力,且双U形埋管管材用量大,安装较复杂,因此,在一般地质条件下、每m钻孔费用不高的情况下,多采用单U形埋管, 在遇到坚硬的岩石层时,由于钻孔费用较高,岩石层的导热能力较强,埋设双U形管,能有效地减少钻孔内热阻,降低费用,从技术上、经济上分析都是合理可行的。
竖直埋管换热器具有节