武漢中央空調(diào)的安裝流程
1 概述
是一項高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降因此，目前在國內(nèi)空調(diào)行業(yè)引起了人們廣泛的關(guān)注，希望盡快應(yīng)用這項新技術(shù)。現(xiàn)在尚未見到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計手冊供設(shè)計人員使用，但又不能等待設(shè)計手冊出版后才使用地源熱泵技術(shù)。筆者從實踐角度對中小型地源熱泵空調(diào)工程設(shè)計程序進行深討，供同行討論。
地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵是地下?lián)Q熱器的設(shè)計。本文將著重探討有關(guān)地下?lián)Q熱器的問題。
2 地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式
眾所周知，熱泵機組的熱源有空氣源、水源、土壤源等。
土壤源熱泵空調(diào)也叫地源熱泵空調(diào)，就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動通過循環(huán)將熱泵機組的凝結(jié)熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機組向建筑物供熱（供熱工況）。
土壤源熱泵換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應(yīng)用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。
3 豎直埋管換熱器型式
最常用的豎直埋管換熱器就是由垂直埋入地下的U型管連接組成。
3.1 豎直埋管深度
豎直埋管可深可淺，須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定，如20m、30m ……直到200m以下。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。例如天津地區(qū)地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節(jié)約用地。
3.2 豎直埋管材料
埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32等。
3.3 豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預(yù)計深度，將制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。
根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用Ф300孔徑。
回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工?；靥钌呈蛩槭瘬Q熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。
4 豎直埋管換熱器中循環(huán)水溫度的設(shè)定
豎直埋管換熱器中流動的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時，由于蓄熱地溫提高，機組運行時水溫不斷上升，停機時水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時，換熱器中水溫達到最低點。
設(shè)計時，首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度，因為這個設(shè)定和整個空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。如夏季溫度設(shè)定較低，對熱泵壓縮機制冷工況有利，機組耗能少，但埋管換熱器換熱面積要加大，即鉆孔數(shù)要增加，埋管長度要加長。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機組的制冷系數(shù)cop值下降，能耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟比較選擇最佳狀態(tài)點。舒適100認(rèn)為埋管水溫應(yīng)如下設(shè)定：
4.1 熱泵機組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機組相同。地埋管中循環(huán)水進入U管的最高溫度應(yīng) 37℃，與冷卻塔進水溫度相同。
4.2 熱泵機組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應(yīng)盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組運行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。
我們知道風(fēng)機盤管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負荷大于冬季熱負荷，所以風(fēng)機盤管的選型是以夏季冷負荷選型、冬季熱負荷校核。采用地源熱泵空調(diào)冬季供熱時，可根據(jù)冬季熱負荷實際情況，讓風(fēng)機盤管冬季也滿負荷運行而反算出供熱水溫度，此溫度要小于常規(guī)空調(diào)60℃的供水溫度（大約供水為40℃左右）。將此溫度定為熱泵機組冬季供水溫度。供回水溫差取7～10℃。
地埋管中循環(huán)水冬季進水溫度，以水不凍結(jié)并留安全余地為好，可取3—4℃。當(dāng)然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0℃以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價、增加對設(shè)備的腐蝕。在嚴(yán)寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。
5 換熱面積與綜合傳熱系數(shù)
5.1 換熱面積
一般換熱器換熱面積計算公式為：
……………………⑴
式中 ：
Q—換熱器換熱量 w；
K—傳熱系數(shù) w/m?℃；
ΔT—對數(shù)溫差 ℃。
5.2 綜合傳熱系數(shù)
地埋管換熱器用以上公式計算很不方便，因為很難確定其換熱面積。
豎直埋管換熱器可以假設(shè)為“線熱源”模型。
武漢中央空調(diào) 水系統(tǒng)。引入綜合傳熱系數(shù)進行計算，則較為簡單、方便。
這里，將以某一流經(jīng)地埋管換熱器內(nèi)的流體介質(zhì)與大地初始溫度每相差1℃，通過單位長度換熱管，單位時間所傳遞的熱量定義為綜合傳熱系數(shù)K。
……………………⑵
式中：
K—綜合傳熱系數(shù) w/m℃；
Q—換熱器單位時間換熱量，Q=C m(t進-t出) W；
L—換熱管有效長度 m；
TP—流體介質(zhì)平均溫度， ℃；
T進—U型管換熱器進水溫度 ℃；
T出—U型管換熱器出水溫度 ℃；
C —水比熱4.180KJ/Kg?k；
m —水的質(zhì)量流量 kg/s；
Td —地溫 ℃。
地溫是恒定值，可通過測井實測。有關(guān)資料介紹某地地下約100米的地溫是當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶?℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規(guī)律。
影響豎直埋管綜合傳熱系數(shù)的因素有：地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、埋管深度、埋管材料及管徑、鉆孔直徑及回填材料、管中水的流速、熱泵運行方式（連續(xù)運轉(zhuǎn)還是間斷運轉(zhuǎn)）。
綜合傳熱系數(shù)k可通過測井測得。由公式⑵可以看出，做一個地面鉆孔與預(yù)計工程應(yīng)用完全相同的U型豎直埋管，人為制作冷、熱源，通入冷、熱水，測出各個參數(shù)帶入公式⑵即可計算出綜合傳熱系數(shù)。
測井也可測出U型豎埋管出水溫度T出 。
綜合傳熱系數(shù)K在系統(tǒng)運行初期波動值較大，系統(tǒng)運行一段時間后其值趨于一穩(wěn)定值。我們通過實測K值波動在一個較小的范圍內(nèi)，在目前數(shù)據(jù)資料較少情況下可取波動平均值作為計算數(shù)據(jù)誤差不會太大。
6 豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計
6.1 確定設(shè)計參數(shù)與熱泵機組
6.1 .1 計算建筑物空調(diào)夏季冷負荷及冬季熱負荷。
6.1.2 確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進出水溫度，進而確定機組中工質(zhì)的夏季蒸發(fā)溫度及冷凝溫
6.1.3 計算冬季風(fēng)機盤管的供水溫度，取回水溫度比供水溫度低7～12℃。設(shè)定地埋管進水溫度，根據(jù)測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。
6.1.4 由建筑物空調(diào)夏季冷負荷、機組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負荷和冬季機組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，就可以進行熱泵機組的選型設(shè)計，或?qū)?shù)提供給生產(chǎn)廠家，由廠家制造熱泵機組。
6.1.5 確定熱泵機組型式（活塞機、螺桿機、蝸旋壓縮機等），查出或計算出該機組在夏季埋管水溫最高時和冬季埋管水溫最低時工況下的COP值。
6.2 計算夏季總放熱量和冬季總吸熱量
6.2.1 夏季豎直埋管換熱器總放熱量等于建筑總冷負荷加上埋管最高水溫時機組消耗功率（機組消耗功率等于夏季冷負荷除以埋管最高水溫時的COP值）。
6.2.2 冬季豎直埋管換熱器總吸熱量等于建筑物總熱負荷減去埋管最低水溫
時機組所消耗的功率（機組消耗功率等于冬季熱負荷除以埋管最低水溫時COP值）。
6.3 計算豎直埋管總長度
6.3.1 夏季豎直埋管總長度計算
?、傧募緭Q熱溫差DTx 8C
DTx=Tx-Td ……………………⑶
式中：
Tx ü 夏季豎直埋管內(nèi)最高設(shè)計平均水溫 8C；
Td ü 地溫 8C。
?、谙募久棵棕Q直埋管散熱量qx W/m
qx=Kx ?DTx ……………………⑷
式中：
Kx ü 夏季綜合傳熱系數(shù) W/m8C。
?、巯募矩Q直埋管換熱器埋管總長度Lx m
……………………⑸
式中：
Q夏—建筑物夏季總冷負荷 W；
A—安全系數(shù)，取1.1-1.2。
6.3.2 冬季豎直埋管總長度計算
?、俣緭Q熱溫差 DTD 8C
DTD=Td-TD ……………………⑹
式中:
TD ü 冬季豎直埋管內(nèi)最低設(shè)計平均水溫8C。
②冬季每米豎直埋管散熱量qD W/m
qD=KD ?DTD ……………………⑺
式中：
KD ü 冬季綜合傳熱系數(shù) W/m8C。
?、鄱矩Q直埋管換熱器埋管總長度LD m
……………………⑻
式中：
Q冬—建筑物冬季總熱負荷 W；
A—安全系數(shù) 取1.1-1.2。
6.3.3 確定豎直埋管換熱器埋管總長度
以上計算取LX、LD二者中較大數(shù)值為本工程埋管總長度L m。
6.4 計算豎直埋管數(shù)量并確定布置形式
6.4.1 豎直埋管數(shù)量計算
……………………⑼
式中:
n—U型豎直埋管個數(shù)；
H—豎直埋管設(shè)計有效深度 m；
L—埋管總長度 m。
6.4.2 豎直埋管布置形式
結(jié)合工程場地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據(jù)測試結(jié)果分析,U型豎直埋管間距以5—6m為宜。
6.5 確定豎直埋管水流速度與水泵選型
6.5.1 確定水流速
試驗顯示，豎直埋管中如提高水流速度則換熱量可適當(dāng)增加，但增加量不與流速提高量成比例。豎直埋管中水流應(yīng)為紊流狀態(tài)，流速太快會增加循環(huán)水泵能量消耗，流速取1m/s左右為宜。
6.5.2 確定水泵型號
流速確定后計算循環(huán)水流量及壓力損失即可選擇循環(huán)水泵的型號。
地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無可比擬的優(yōu)勢。
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)特點比較(1萬平方建筑，負荷為100瓦/平方)
項目 地源熱泵 溴化鋰吸收式直燃機組 水冷機組+燃油(氣)熱水鍋爐 水冷機組+電熱鍋爐
占地面積 機房占地面積小可設(shè)在地下室 機房占用建筑面積，冷卻塔占用屋頂面積儲油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積，儲油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積需要較大的電負荷
設(shè)備壽命 20年 10年 冷水機組20年燃油鍋爐10年 冷水機組20年，電鍋爐15年
水資源消耗量 只利用地下水的熱量采用回灌技術(shù)，不消耗水資源 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補水
驅(qū)動能源方式 電能能源利用系數(shù)為3.8-4.5 燃油或燃氣能源利用系數(shù)80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季燃油或燃氣80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季90%
環(huán)境保護 無燃燒污染，水資源不和制冷劑接觸，水沒有污染 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 無燃燒污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染（冷卻塔）
備注 需要一定量的水資源 機房需要設(shè)置自動安全報警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機組和人員，運行維護復(fù)雜鍋爐房需要設(shè)置自動安全報警裝置 需要設(shè)置兩套機組和人員，運行維護復(fù)雜
它具有以下一些優(yōu)點：
?。?）屬可再生能源利用技術(shù)
地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400m深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以成為之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收、地?zé)崮芏N藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)的到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層并類似于一種無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。
?。?）屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)
地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷、熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，低能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可*、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
據(jù)美國環(huán)保署（EPA）估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用。
?。?）運行穩(wěn)定可
正是由于地層溫度一年四季相對穩(wěn)定，其溫度的范圍遠遠小于空氣的波動，是很好的冷熱源；同時由于溫度的恒定性，使得系統(tǒng)運行更加可*、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
（4）環(huán)境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙；也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量，可以極大地改善其它空調(diào)方式的CO2 的排放。
?。?）舒適程度高
由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱更為平穩(wěn)，降低了停、開機的頻率和空氣過熱和過冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適應(yīng)供冷、供熱負荷的分區(qū)。
?。?）一機多用，應(yīng)用范圍廣
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
（7）自動運行
地源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計簡單系統(tǒng)，部件較少，機組運行簡單可*，維護費用低；自動控制程度高，可無人值守；此外，機組使用壽命長，均在20年以上。
武漢家用中央空調(diào)耗電嗎。
