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分析热泵换热器技术

卡塞尔:分析热泵换热器技术

 1.概述

   随着我国节能减排发展战略的实施,研究和利用新型节能环保空调已成为当前社会重要课题,由于土壤源热泵

具有制冷性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好、系统简单、维护方便等优点,已在欧美国家广

泛地应用,我国各地在政府的积极支持推动下,土壤源热泵空调也在建筑领域得到了迅速发展。但土壤源热泵空调

造价比传统型空调贵,而使业主望而生畏,制约了土壤源热泵的推广使用,因此,降低土壤源热泵的造价,减少其

一次性的投入,对土壤源热泵在空调领域的发展具有重要意义。本文重点对土壤源热泵换热器的造价影响的技术因

素进行分析,供工程应用参考。

   地源热泵系统(土壤源)的初投资比传统系统看似偏高,使消费者(开发商)担心使用该技术是否会使工程价格升

高,影响着一些消费者对于该技术的认可。但地源热泵系统免除了能源传递输送过程中的基础设施投资,而且该系

统还能同时供冷(暖)和供新风(并可供生活用水),综合成本将大大节约的价格优势,却并未能被消费者全面认识。

在一千平方米的办公楼中使用地源热泵,冬季24小时运行,室温保持在22℃—24℃,其一天电耗仅为140~150度。

如果将初投资、运行费用、维修费用、使用年限、土地使用、基础建筑、能源使用等条件综合考虑,每日单位负荷

费用均低于其他各类空调。

   土壤源热泵价格分三个部分,室内末端部分、机房部分、室外地埋部分,土壤源热泵空调造价主要贵在室外地

下换热器,土壤源热泵是把建筑物的负荷通过地下换热器与土壤进行热交换,夏季把建筑物的热量转移进土壤,冬

季再把土壤中的热量转移到建筑物,因此,地下换热器是土壤源热泵至关重要的设备。土壤源热泵换热器分水平型

与竖直型两种,选用水平型或竖直型换热器由可利用土地面积、土壤的类型和挖掘费用而定,若有大量的土地、且

开掘方便,则水平型换热器比较经济。竖直型换热器占地相对少些,因此,在城市等土地比较紧张的地方则多数采

用竖直型换热器,它需要机械钻井和比较高的技术回填,其工程造价相对要高些。目前,城市土壤源热泵空调工程

建设中,均采用竖直型地下换热器,影响竖直型换热器造价的技术因素主要有如下几个方面。

    2.影响地下换热器造价因素分析

    2.1建筑物负荷计算的影响

    由土壤换热器长度的工程设计公式:


从设计计算公式可知:选用的水冷式制冷机组能耗比高,则换热器所需的长度相应减少,所以选用高效的制冷机组

,也是降低地下换热器造价的途径之一。

    2.2土壤特性测试的影响

   由换热器长度设计公式可知:土壤换热能力与换热器长度成反比,但实际设计中,上述计算方法比较繁琐,且

部分数据不易获取,所以很多设计采用管材“换热能力”来计算管长,其计算式为:

    Lc=1000Qc/ql

   式中:ql为每米管长换热量(W/M)由测试获得。因此,土壤源地埋管热响应测试就显得非常重要,测试规范、正

确、地埋管换热能力的合理性,对换热器长度计算至关重要,有些测试报告过于草率,给出的换热能力与实际土壤

特性不符,测试报告参数偏低,使得工程设计的地下换热器长度过长,工程造价偏高,这方面应引起有关部门重视

并作出规范测试条例,保证地埋管热响应测试的正确性及合理性,以利土壤源热泵技术的推广应用。如长江三角洲

地区,地下水系丰富,渗流频繁,理应地埋管热响应测试中换热能力在60W/M以上,但有些工程测试中偏低,测试

的换热能力仅为60W/M以下,,如某临湖工程的建筑物负荷为2500KW,竖直地埋管井深为100M,水冷式制冷机的COP为5

,采用单U形式,由计算公式得:

    Qc=Q1(1+1/COP1)=2500(1+1/5)=3000KW

    当地埋管的换热能力为56W/M时,换热器长度计算为:

    Lc=Qc*1000/28=107142.86M

    则钻井数为:N=Lc/nH

    式中:H为竖井深度(M)

    n为竖井中的管数

    则:N1=Lc/2H=107142.86/2*103=536口

    当地埋管的换热能力为60W/M时,换热器长度计算为:

    Lc=Qc*1000/30=100000M

    则钻井数为:

    N1=Lc/2H=100000/2*103=500口

    若每口井造价为6000元,则由于“换热能力”参数的差异,换热器的施工投入将差21.6万元。

    2.3换热器的设计与布置的影响

   地下换热器设计中,确定井数时,在考虑竖直井系统布置时,往往计算结果圆满后,井数均扩大,而加大造价

,再则在选择单U或双U时,对造价的影响也是很大的。要视当地地质条件来选择,若地质以粘土为主,钻井容易,

钻井费用低,则选择单U较经济;若地质以岩石为主,钻井困难,钻井费用昂贵,则选择双U为好,若布置地下换热

器用地紧张,则双U也是一种选择。如某工程建筑负荷为2500KW,当地土壤主要以粘土为主,地埋管热响应测试的换

热能力:单U为56W/M,双U为67W/M,竖直井深为100M,则采用单U形式的地下换热器,需要的井数为525口井,采用

双U形式的地下换热器,需要的井数为436口井,一口单U井的钻井费为230元,其管材料费为200×7=1400元,该工

程单U型换热器造价为86.064万多元。一口双U井的钻井费为250元,其管材料费为400×7=2800元,该工程双U型换

热器造价为132.98万多元;由于井数不等,总的换热器的水平管也不等,若流程布置相似,则水平管双U形式的换

热器比单U形式的换热器少1000M,则水平管的造价单U比双U要多10万元左右,因此,总体造价双U形式的地下换热器

比单U形式的地下换热器贵36.9万元。

   若地质以岩石为主,同样100M井深,一口井需要十天才能钻好,其钻井费为5750元,则一口单U型的竖直井造

价为7150多元,一口双U型的竖直井造价为8550多元,而双U井的换热能力比单U井约增加15%左右,双U井的水平管

造价要低于单U井,所以这种地质条件下,选用双U井的造价要略低些。

    2.4换热器施工方法的影响

   整个竖直型土壤源热泵换热器由竖直井与水平联通管组成,为确保换热器使用的安全,施工时,水平联通管需

埋在离地面2M以下,为了水平管的连接,竖直管的上端2M的PE管被切割,则一口单U井切割下的PE管为4M,若按上

述工程井数为528口,则切割下的管长总共为2112M,,浪费垂直管造价14784元,若在U形制作时,从工厂定制98M,

再融接2M废料管,这样可以降低一些造价。

    2.5地下全年热平衡处理的影响

   土壤温度场在没有外界的巨大干扰下,温度基本是稳定的,偶尔有相对较小的波动,但冷(热)迁移比较缓慢.当土

壤源热泵采集浅层地能时,将会对浅层地下温度场造成很大的变化,为使地下温度场保持平衡,应该进行冷、热平衡

计算:即夏季向地源排放的热量就等于冬季获取的热量,这样才能避免地下局部冷热岛现象。但由全年负荷计算可知

,在北方夏季的负荷小于冬季负荷,在南方夏季的负荷大于冬季负荷,为降低土壤源热泵地下换热器的造价,南方

夏季多出的负荷可以通过冷却水塔来转移,这样可以减少打井数目,