地耦管

地藕管迴路能滿足熱泵製冷和供暖穩定運行工作需要。

由於地下岩土溫度比較穩定,它的夏季溫度遠遠低於大氣溫度,冬季溫度遠遠高於大氣溫度,因此地藕管地源熱泵不論是製冷還是供暖,其性能係數均遠高於空氣源熱泵。這是地禍管地源熱泵節能的根本原因。

製冷時,地藕管地源熱泵的循環水進水溫度越低,其性能係數越高;供暖時,循環水進水溫度越高,其性能係數越高。相較而言,供暖的性能係數又高於製冷的性能係數。

基本介紹

• 中文名：地耦管
• 外文名： ground-coupled-pipe
• 系統：地源熱泵系統
• 學科：熱力工程
• 定義：地源熱泵系統中豎直地埋管換熱器
• 拼音：di ou guan

簡介

隨著人們生活水平的提高以及居住面積的擴大,冬季鍋爐供暖所造成的大氣污染、夏季空調製冷的高能耗問題越來越突出。尋求新的低能耗無污染的供暖製冷空調技術意義重大。地源熱泵高效節能、無污染,既可供暖又可製冷,提高淺層地熱品位再利用,是二十一世紀的節能環保新技術。

目前,我國開發套用的地源熱泵多為地下水源熱泵,由水泵抽取地下水通過熱泵換熱器與製冷劑進行熱交換一吸熱和排熱過程,完成供暖和製冷功能,經過熱交換的地下水再排人或加壓泵人地下水層中。這種系統結構簡單,初投資也較節省,為在建築物周圍沒有空地的情況下提供了一種解決方案。但它受當地水文環境地質政策的限制;機組性能受地下水文地質條件的變化影響較大;尚有地下水對管路系統和換熱器的腐蝕問題,使用壽命較短。地藕管熱泵能克服地下水源熱泵的上述缺點,無任何污染,它以導熱好、抗腐蝕、強度高、且可繞曲的地埋聚乙烯管自成封閉系統,製冷劑與土壤之間熱交換通過聚乙烯管內中介流體進行。它不受地下水源的限制。地藕管熱泵在國內尚不多見。

地藕管地源熱泵系統設計

地藕管地源熱泵樣機為加拿大MariitenGeothermal公司生產的R一65型空氣一水地源熱泵,額定功率為5Ton(1Ton=3.516kw·h),安裝在中國礦業大學(徐州本部),對一個建築面積為201m²輕鋼結構建築進行供暖和製冷。

地藕管換熱器的設計是地藕管熱泵系統設計中的關鍵問題。國內外學者對地禍管換熱器設計的理論研究較多,提出了許多傳熱和管長計算模型。但地禍管換熱器的換熱特性與土壤特性密切相關。而確定土壤熱特性是一項十分困難的事,因影響其熱特性的因素眾多,其中某些參數(如濕度)又存在不確定性。

地源熱泵技術在北美已非常成熟,針對地源熱泵機組、地藕管換熱器以及系統設計和安裝有一整套標準、規範、計算方法和施工工藝。

地藕管換熱器設計參數

垂直鑽孔深度

本樣機地禍管選用垂直布置。垂直鑽孔深度參考北美家用地源熱泵安裝指南中的推薦值,如表1。

徐州地區的地質條件為:地表有一層約10m厚粘土,其下為密實的砂岩。按密實岩層計算垂直鑽孔深度為205(=41x5)m,實際總鑽孔深度取為220(=44X5)m。

地藕管迴路

地藕管按每Ton一根垂直U形管並聯布置。從理論上來說,垂直鑽孔間的間隔越大,孔間傳熱相互影響越小。但由於受場地限制,不可能取得過大,參考北美的指南,取為5m。垂直埋管採用3/4’’聚乙烯管,水平連管採用114/“聚乙烯管。地藕管迴路如圖1。

循環水泵

地藕管迴路中注入濃度為15%的甲醇水溶液作為防凍液。甲醇水溶液通過循環水泵循環流動,使製冷劑與岩層之間換熱。為了提高甲醇水溶液與地禍管間的對流換熱能力,應使液流呈紊流流動。本樣機循環水泵的流量為3.3m3小,通過34/“聚乙烯管的流速為0.65ms/,其雷諾數為

（1-1）

式中:u一流速,ms/;d一管徑,m;v一水的運動粘性係數,取。=1.006X10^-6m²/s。可見,Re>10⁴,流動為紊流。

地藕管地源熱泵的性能試驗

地源熱泵的性能試驗採用室外水側量熱計法。

試驗裝置如圖2所示。

用室外水側量熱計法按下式計算製冷量:

Q_tco=W_w-C_pw(t_w2-t_w1)/3600-E_t (2)

用下式計算製冷性能係數

COP_tco=Q_tco/E_t (3)

用室外水側量熱計法按下式計算供暖量:

Q_tho=W_w-C_pw(t_w1-t_w2)/3600+E_t (4)

用下式計算供暖性能係數

COP_tho=Q_tho/E_t (5)

式中Qtco—製冷量,W; Ww—水流量,kgs/; C_pw水的比熱容, C_pw=4.1868X10³J/(kg·℃); t_w1—進入室外側熱交換器的水溫,℃; t_w2—離開室外側熱交換器的水溫,℃; Et—輸人熱泵的總功率,w; Q_tho供暖量，W。

地藕管熱泵性能試驗

R一65型地源熱泵製冷和供暖性能試驗數據示例如表2、表3所示。

數據分析在近三個月的製冷運行期間,地藕管熱泵每天運行sh左右,熱泵啟動時地下循環水的起始溫度維持在18.5一20.5℃,說明熱泵經循環水排放到地下的熱量與地禍管管壁周圍岩土沿半徑方向向外傳熱能形成動態平衡,從而確保熱泵長期穩定運行。圖3為不同日期製冷循環水的起始溫度情況。

圖4為製冷性能係數COP_tco。與循環水進水溫度的關係。由圖可見，循環水進水溫度越低，製冷性能係數越高，近似為線性關係。當循環水進水溫度為20℃時,COP_tco高達4.0以上;當循環水進水溫度升至31℃時,CoP_tco尚可達到3.1。與此相比,夏天當地大氣溫度高達38℃以上,普通空氣源空調的COP_tco僅為2.5一2.8。故地藕管熱泵的製冷節能效果是明顯的。

供熱初始幾天,循環水起始溫度有所下降,但下降幅度不大;進入長期運行後,逐漸趨於穩定狀態,溫度值在巧一16℃之間波動。說明白天熱泵通過循環水從岩土中吸取的熱量夜間已從地藕管遠處得到傳遞而恢復,並達到動態平衡,從而確保熱泵供暖運行的長期穩定性。圖5為不同日期供暖循環水的起始溫度。

圖6為供暖性能係數COP_tco與循環水進水溫度的關係。由圖6可見，循環水進水溫度越高，供暖性能係數也越高，近似為一種線性分布關係。當循環水進水溫度為16. 8℃時，COP_tco高達4.44，循環水進水溫度即使降至11.4℃時，COP_tco也可以達到3.71。故地藕管熱泵的供暖節能效果也是明顯的。

地源熱泵系統的具體套用

當今社會，環境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事，節能與環保應是我國優先解決的課題，而地源熱泵技術運用到建築物採暖空調中是理想的節能環保型空調技術。

施工要點

保證地耦管孔的深度，地耦管的長度符合設計要求是施工中的重點。打孔過程中不可避免出現孔深不達標， 廢孔的情況，這會導致地耦管長度不夠，出水溫度偏高/低（夏/冬季），機組耗電量增大。 此外灌漿也是需要關注的重點。灌漿材料為膨潤土和原漿的混合體，灌漿採用加壓回灌方式，保證密實，孔內無空腔。

能量消耗對比

從兩種系統名義功率分別比較年運行費用，即傳統水冷冷水機組+鍋爐和地源熱泵模式。由表 1 可知地源熱泵相比傳統空調在運行費用方面的有著巨大優勢，主要體現在兩個方面： 一是地源熱泵的COP 值高 ，其中製冷時 COP 值高可達到5.6，制熱時 COP 值高可達到 5.2；二是可以夜間製造生活熱水，利用波峰波谷的電價政策降低運行費用。

優缺點評價

第一，地源熱泵技術是直接轉換成冷、熱風，為房間製冷或供暖，其技術含量和節能效率高。

第二，採用 PE 管道埋設的地耦管， 具有高可靠、 壽命長 （70 年以上）、免維修、運行成本低等特點，不受開採地下水的限制， 節省了水資源使用費。

第三，夏季利用主機排放的餘熱加熱生活熱水，無需耗電、耗油；冬季機組既制熱又提供熱水，其熱水費用與太陽能熱水器費用相當。

第四，系統初投資大，成本回收周期長。

第五，地耦管維修困難。