卡塞爾機(jī)械解析土壤源熱泵換熱器技術(shù)

 1.概述

   地源熱泵系統(tǒng)(土壤源)的初投資比傳統(tǒng)系統(tǒng)看似偏高，使消費(fèi)者(開發(fā)商)擔(dān)心使用該技術(shù)是否會使工程價格升高，影響著一些消費(fèi)者對于該技術(shù)的認(rèn)可。但地源熱泵系統(tǒng)免除了能源傳遞輸送過程中的基礎(chǔ)設(shè)施投資，而且該系統(tǒng)還能同時供冷(暖)和供新風(fēng)(并可供生活用水)，綜合成本將大大節(jié)約的價格優(yōu)勢，卻并未能被消費(fèi)者**認(rèn)識。在一千平方米的辦公樓中使用地源熱泵，冬季24小時運(yùn)行，室溫保持在22℃—24℃，其**電耗僅為140~150度。如果將初投資、運(yùn)行費(fèi)用、維修費(fèi)用、使用年限、土地使用、基礎(chǔ)建筑、能源使用等條件綜合考慮，每日單位負(fù)荷費(fèi)用均低于其他各類空調(diào)。

   隨著我國節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，研究和利用新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)已成為當(dāng)前社會重要課題，由于土壤源熱泵具有制冷性能系數(shù)高、節(jié)能效果好、利用可再生能源、環(huán)保效果好、系統(tǒng)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已在歐美國家廣泛地應(yīng)用，我國各地在政府的積極支持推動下，土壤源熱泵空調(diào)也在建筑領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。但土壤源熱泵空調(diào)造價比傳統(tǒng)型空調(diào)貴，而使業(yè)主望而生畏，制約了土壤源熱泵的推廣使用，因此，降低土壤源熱泵的造價，減少其一次性的投入，對土壤源熱泵在空調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。本文重點(diǎn)對土壤源熱泵換熱器的造價影響的技術(shù)因素進(jìn)行分析，供工程應(yīng)用參考。

   土壤源熱泵價格分三個部分,室內(nèi)末端部分、機(jī)房部分、室外地埋部分，土壤源熱泵空調(diào)造價主要貴在室外地下?lián)Q熱器，土壤源熱泵是把建筑物的負(fù)荷通過地下?lián)Q熱器與土壤進(jìn)行熱交換，夏季把建筑物的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)土壤，冬季再把土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到建筑物，因此，地下?lián)Q熱器是土壤源熱泵至關(guān)重要的設(shè)備。土壤源熱泵換熱器分水平型與豎直型兩種，選用水平型或豎直型換熱器由可利用土地面積、土壤的類型和挖掘費(fèi)用而定，若有大量的土地、且開掘方便，則水平型換熱器比較經(jīng)濟(jì)。豎直型換熱器占地相對少些，因此，在城市等土地比較緊張的地方則多數(shù)采用豎直型換熱器，它需要機(jī)械鉆井和比較高的技術(shù)回填，其工程造價相對要高些。目前，城市土壤源熱泵空調(diào)工程建設(shè)中，均采用豎直型地下?lián)Q熱器，影響豎直型換熱器造價的技術(shù)因素主要有如下幾個方面。

    2.影響地下?lián)Q熱器造價因素分析

    2.1建筑物負(fù)荷計算的影響

    由土壤換熱器長度的工程設(shè)計公式：

從設(shè)計計算公式可知：選用的水冷式制冷機(jī)組能耗比高，則換熱器所需的長度相應(yīng)減少，所以選用高效的制冷機(jī)組，也是降低地下?lián)Q熱器造價的途徑之一。

    2.2土壤特性測試的影響

   由換熱器長度設(shè)計公式可知：土壤換熱能力與換熱器長度成反比，但實(shí)際設(shè)計中，上述計算方法比較繁瑣，且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲取，所以很多設(shè)計采用管材“換熱能力”來計算管長，其計算式為：

    Lc=1000Qc/ql

   式中：ql為每米管長換熱量(W/M)由測試獲得。因此,土壤源地埋管熱響應(yīng)測試就顯得非常重要，測試規(guī)范、正確、地埋管換熱能力的合理性，對換熱器長度計算至關(guān)重要，有些測試報告過于草率，給出的換熱能力與實(shí)際土壤特性不符，測試報告參數(shù)偏低，使得工程設(shè)計的地下?lián)Q熱器長度過長，工程造價偏高，這方面應(yīng)引起有關(guān)部門重視并作出規(guī)范測試條例，保證地埋管熱響應(yīng)測試的正確性及合理性，以利土壤源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。如長江三角洲地區(qū)，地下水系豐富，滲流頻繁，理應(yīng)地埋管熱響應(yīng)測試中換熱能力在60W/M以上，但有些工程測試中偏低，測試的換熱能力僅為60W/M以下，,如某臨湖工程的建筑物負(fù)荷為2500KW,豎直地埋管井深為100M,水冷式制冷機(jī)的COP為5，采用單U形式，由計算公式得：

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

    當(dāng)?shù)芈窆艿膿Q熱能力為56W/M時，換熱器長度計算為：

    Lc=Qc*1000/28=107142.86M

    則鉆井?dāng)?shù)為：N=Lc/nH

    式中：H為豎井深度(M)

    n為豎井中的管數(shù)

    則：N1=Lc/2H=107142.86/2*103=536口

    當(dāng)?shù)芈窆艿膿Q熱能力為60W/M時，換熱器長度計算為：

    Lc=Qc*1000/30=100000M

    則鉆井?dāng)?shù)為：

    N1=Lc/2H=100000/2*103=500口

    若每口井造價為6000元，則由于“換熱能力”參數(shù)的差異，換熱器的施工投入將差21.6萬元。

    2.3換熱器的設(shè)計與布置的影響

   地下?lián)Q熱器設(shè)計中，確定井?dāng)?shù)時，在考慮豎直井系統(tǒng)布置時，往往計算結(jié)果圓滿后，井?dāng)?shù)均擴(kuò)大，而加大造價，再則在選擇單U或雙U時，對造價的影響也是很大的。要視當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件來選擇，若地質(zhì)以粘土為主，鉆井容易，鉆井費(fèi)用低，則選擇單U較經(jīng)濟(jì)；若地質(zhì)以巖石為主，鉆井困難，鉆井費(fèi)用昂貴，則選擇雙U為好，若布置地下?lián)Q熱器用地緊張，則雙U也是一種選擇。如某工程建筑負(fù)荷為2500KW,當(dāng)?shù)赝寥乐饕哉惩翞橹鳎芈窆軣犴憫?yīng)測試的換熱能力：單U為56W/M，雙U為67W/M，豎直井深為100M,則采用單U形式的地下?lián)Q熱器，需要的井?dāng)?shù)為525口井，采用雙U形式的地下?lián)Q熱器，需要的井?dāng)?shù)為436口井，一口單U井的鉆井費(fèi)為230元，其管材料費(fèi)為200×7=1400元，該工程單U型換熱器造價為86.064萬多元。一口雙U井的鉆井費(fèi)為250元，其管材料費(fèi)為400×7=2800元，該工程雙U型換熱器造價為132.98萬多元；由于井?dāng)?shù)不等，總的換熱器的水平管也不等，若流程布置相似，則水平管雙U形式的換熱器比單U形式的換熱器少1000M,則水平管的造價單U比雙U要多10萬元左右，因此，總體造價雙U形式的地下?lián)Q熱器比單U形式的地下?lián)Q熱器貴36.9萬元。

   若地質(zhì)以巖石為主，同樣100M井深，一口井需要十天才能鉆好，其鉆井費(fèi)為5750元，則一口單U型的豎直井造價為7150多元，一口雙U型的豎直井造價為8550多元，而雙U井的換熱能力比單U井約增加15%左右，雙U井的水平管造價要低于單U井，所以這種地質(zhì)條件下，選用雙U井的造價要略低些。

    2.4換熱器施工方法的影響

   整個豎直型土壤源熱泵換熱器由豎直井與水平聯(lián)通管組成，為確保換熱器使用的**，施工時，水平聯(lián)通管需埋在離地面2M以下，為了水平管的連接，豎直管的上端2M的PE管被切割，則一口單U井切割下的PE管為4M，若按上述工程井?dāng)?shù)為528口，則切割下的管長總共為2112M,，浪費(fèi)垂直管造價14784元，若在U形制作時，從工廠定制98M，再融接2M廢料管，這樣可以降低一些造價。

    2.5地下全年熱平衡處理的影響

   土壤溫度場在沒有外界的巨大干擾下,溫度基本是穩(wěn)定的,偶爾有相對較小的波動,但冷(熱)遷移比較緩慢.當(dāng)土壤源熱泵采集淺層地能時,將會對淺層地下溫度場造成很大的變化,為使地下溫度場保持平衡,應(yīng)該進(jìn)行冷、熱平衡計算:即夏季向地源排放的熱量就等于冬季獲取的熱量,這樣才能避免地下局部冷熱島現(xiàn)象。但由全年負(fù)荷計算可知，在北方夏季的負(fù)荷小于冬季負(fù)荷，在南方夏季的負(fù)荷大于冬季負(fù)荷，為降低土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的造價，南方夏季多出的負(fù)荷可以通過冷卻水塔來轉(zhuǎn)移，這樣可以減少打井?dāng)?shù)目，