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室外垂直埋管换热器设计

由于埋管换热器中循环介质与大地岩土间的换热情况相当复杂,因此土壤源热泵空调系统的设计难点主要集中在地下换热器的设计上。埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等既是影响埋管换热器与大地岩土间换热的重要因素,又是构成埋管换热器具体形式的主要参数。此外,埋管地点的地质状况、气候特征、建筑物的负荷变化状况也都影响换热器的换热,其中地下岩土的热物理性能对传热的能力影响很大。

在工程设计中,室外垂直埋管换热器设计应根据埋管建筑物的地质勘察报告、气候特征等资料采用有关设计计算软件进行设计计算。由于设置室外垂直埋管换热器的主要费用是钻孔工程的费用,因此正确设计室外垂直埋管换热器埋管的长度对于保证空调系统的效果和经济性十分重要。目前,国内外已开发了一些地热换热器设计计算软件,如:清华大学的DEST软件2003年;美国地源热泵协会的GLHEPRO软件3.03版,可以避免在设计中盲目估算带来的失误。

(1)本工程地质勘察报告资料

1)建筑物土壤地质资料。由本工程钻孔堪察结果提供的资料,分析得出,土壤在0~70m深范围内大致可分为如下几层:-10.17m,粘土、淤泥;-21.27m,淤泥、粉质粘土;-30.87m,粘土;36.697m,粘土;-51.07m,粉质粘土;-55.77m,粉砂、粉质粘土;-66.07m,粉砂、粉质粘土、圆砾;-70.87m,粘土。

2)土壤热工特性。土壤平均温度实测值为16其他热物理性能参数。

(2)室外垂直埋管换热器设计

1)可行性及经济性。应根据岩土体地质勘察结果评估土壤源(垂直埋管)热泵系统实施的可行性及经济性。根据建筑物室外总平面及实验钻孔情况,采用DN32U型垂直埋管换热器,在地埋管方案设计中经过初步估算:钻孔数300口,间距5m,埋深65m,总埋长度39000m,钻孔施工费用140万人民币。经过比较分析,土壤源(垂直埋管)热泵系统方案是可行的,且是较经济的。

2)建筑物室外各种管线附设情况。建筑物室外总平面中主要有排水管、电缆管,深度在地下2m以上,埋管区域地埋管水平干管埋深在地下2.5m以下,同时预留了进出重型设备及车道位置。

3)地埋管材及管件的选用。设计中采用了化学稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管及管件,(d32,3.0 0VPE80,1.25MPa)0

4)传热介质的选用。因宁波地区冬季室外气温较高,冬季冻土深度较浅,因此本工程设计中采用了水作为传热介质。未考虑在地埋管循环水中添加防冻剂。但为了防止冷却循环水管内循环水在极端气温下结冻,采用感温自控系统启动循环泵。当系统循环回水温低于41时,由自控系统启动循环泵驱动循环水并且报警提示,可以有效的避免地埋管内水结冻问题的出现。

5)土壤源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡的措施。为了保证大地岩土的热稳定性,在计算周期内,使土壤源热泵系统总吸热量应与总释放量相平衡,经过技术经济比较,设计中采用辅助冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。利用室外530m3消防喷泉水池辅助散热来消除最热月峰值负荷。

6)钻孔回填材料的选用。本工程钻孔回填材料采用了原土回填。

7)土壤源热泵系统地埋管水系统设计。设计采用了14个水平同程环路与机房集水器及分水器相连。地埋管水系统采用一次泵定流量系统。

8)土壤源热泵系统运行方式。5台小热泵机组夏季冷却由室外喷泉水池散热实现,冬季制热热源来自地埋管系统。2台大热泵机组夏季冷却由地埋管散热实现,冬季制热热源来自地埋管系统。5台小机组,夏冬季的制冷、制热转换是通过机组内置的电动四通换向阀转换制冷剂的流向来达到制冷、制热转换。2台大机组通过外面设置的十二个手动阀门切换冷冻、冷却水来实现夏冬季制冷、制热转换。

9)室外垂直埋管换热器设计计算及调整后的主要数据。采用美国俄克拉荷马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO软件程序进行计算。室外垂直埋管材质选择:采用PE管U形单排管(沿2,3.0 0VPE80,1.25MPa)。井间距:5mx5m,井径miO,井深73m,打井数量14组(每组约为26个)、总共370个、管径032,总埋管长度54625m,制冷44W/m、制热30W/m,钻孔采用原土回填。因室外总平面中有富裕的埋管区域,经业主要求,为确保空调效果,总埋管长度及打井数量在设计计算的基础上加大了15%。