别墅土壤源热泵单季使用传热计算

工程概况及相关计算要求 项目位于大连小平岛内，单体别墅建筑面积为250M2，夏季要求空调制冷不高于25℃；冬季要求空调供热不低于20℃。别墅空调冷(热)源来源要求采用地下土壤源，计算单体别墅地源热泵空调配置参数。 考虑到单体别墅业主有在冬季度假期内使用空调供热的可能性，在无夏季空调制冷对地下土壤进行蓄能的条件下，计算单体别墅周边土壤传热能否满足冬季空调供热要求？ 大连小平岛地处丘陵地带，基岩埋藏较浅约五米左右。 第一节、别墅空调负荷确定 第二节、冷(热)源配置计算 1、地源热泵地下水平及周边岩土传热计算 2、地下岩土体积含热计算 3、地下土壤源换热器参数值 4、地下岩土热井热物性能力试验 第一节、别墅空调负荷确定 1、依据别墅建筑平面图(略) 2、依据采暖通风与空调设计规范(略) 3、地源热泵空调负荷参数计算 第二节、冷(热)源配置计算 1、地下水平及周边岩土传热计算 单体别墅建筑面积为250M2，平均占地面积为600 M2，依据第一节表1、表2、表3、表4地源热泵空调配置参数计算，冬季空调供热负荷总计为124416KW；地源热交换器埋深60米；地质条件为板岩。 依据国外近百年来对地源热源的研究实验，在浙江永康市郑泰集团地源热泵空调水平埋管热交换器的测试，土壤能源密度约20～40W/m2，一般可取25 W/m2。地源热泵技术是利用土壤(岩土)有一定蓄能、释能的作用，作为热泵空调的有效冷(热)源，当大面积采用地源热泵空调时需要计算蓄能、释能及地下岩土热源补给的平衡，稳定地下温度场在设计范围内波动。 1) 地下岩土水平方向年传热计算 小平岛单体别墅建筑红线范围内平均边长L=B为24.5米，有效用地面积较大有足够热源补给，在无夏季空调制冷对地下土壤进行蓄能的条件下，是否满足别墅冬季空调供热要求。 ① 地下岩土水平方向年传热计算 Q A = FX·ρ·h·d 式中： FX = L·B(M2) ρ= 25(W/m2) h = 24(小时) d = 365(天) Q X1 = 600×25×24×365 = 131400000W (131400KW) ② 空调年需要提取低位热能计算 依据单体别墅制冷/供热逐月负荷估算值 表3 Q X2 = Q1·h·n 式中： Q1 = 5184(别墅逐月逐时负荷) h = 24(小时) n = 0.86 (电功率热能) Q X2 = 5184×24×0.86= 106997KW 结论：地下岩土水平方向年传热131400KW，空调年耗热106997KW，完全满足要求。 2) 地下岩土垂直方向年传热计算 小平岛单体别墅建筑红线范围内平均边长L=B为24.5米，地下岩土周边垂直方向有足够热源补给，即使无夏季空调制冷对地下土壤进行蓄能的条件下，是否满足别墅冬季空调供热要求。 ① 地下岩土垂直方向年传热计算 Q Y = FY·ρ·h·n 式中： FY =（L+B）·2·H (M2) ρ= 25(W/m2) h = 24(小时) n = 365(年) Q Y1 =（24.5+24.5）×2×60×25×24×365 = 1287720000W (1287720KW) ② 空调年需要提取低位热能计算 依据单体别墅制冷/供热逐月逐时负荷估算值 表3 Q X2 = Q1·h·n 式中： Q1 = 5184(别墅逐月逐时负荷) h = 24(小时) n = 0.86 Q X2 = 5184×24×0.86= 106997KW 结论：地下岩土周边(垂直)方向年传热1287720KW，空调年耗热106997KW，完全满足要求。 2、地下岩土体积含热计算 小平岛单体别墅建筑红线范围内平均边长L=B为24.5米，地下岩土垂直方向敷设地源热交换器纵深H为60米，地下岩土温度12℃下降至6℃，计算地下岩土容积含热量，在无夏季空调制冷对地下土壤进行蓄能的条件下，容积含热量是否满足别墅冬季空调供热要求。 地下岩土容积含热量计算 Q V = VV·C·Δt /4.19 式中： VV = L·B·H (M3) C = 2100(kJ /℃·M3) Δt = 6 4.19 ( J ) = 1.0 (cal ) Q V = 24.5×24.5×60×2100×6/4.19 = 108302864 cal (125956KW) 结论：当地下岩土温度垂直方向年传热125956KW，空调年耗热106997KW，完全满足要求。 3、地下土壤源换热器参数值 4、地下岩土热井热物性能力试验 设计地源热泵系统需要了解地下岩土的热物性参数，如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要。夏季地源出水温度过高，（北方超过28℃，南方超过30℃）冬季地源出水温度过低（北方低于0℃）就失去了地源热泵节能优势 ；也可能规模过大，从而加大了建筑物的初期投资。 确定地下岩土热物性参数的常规方法是地质钻孔取样确定钻孔周围的地质构成，依据相关资料换算确定导热系数。但地下地质构成复杂，即使属同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较宽，回填材料及实际形成的管间距偏差，均导致计算得到的埋管长度误差较大。 因此，为准确得出地下岩土热物性参数，应密切结合空调负荷，依据 WFI“地源热交换器设计与施工规程”3.1 场地地质状况调查核实 3.2 场地土壤地质及热物性论证。通过对单孔井进行热试验，取得温升及温降数据，以冬季供热工况地源出水温度不低于5℃数据作为地源热交换器的设计依据。 1) 试验仪器的原理及构成 地下岩土的导热系数等无法直接测量，只能通过热能表——传感器输出测量温度、热流量等相关参数变化，由微电脑积算器进行计算，最终目的是要换算出每米井承载负荷能力。 环路构成：出水管→过滤器→变频水泵→温感器→流量计→变频热泵机组→温感器→进水管→出水管 数据采集：由调整变频水泵流量使水在回路中循环流动，按试验工况调整变频热泵机组输出定值冷(热)源，连续运行72小时，由热能表测量系统传感器——采集流量信号、温度信号传送至积算仪，经积算仪处理输出进入地下岩土的冷(热)量。并根据热井深度，换算出指定试验工况下每米井承载负荷。 Q M = QN / h /H 式中：Q M =每米井承载负荷(W/m) QN =向地下输入的总冷(热)量 (KW) h = 总运行时间 H =热井深度由巡回检测温度器定时采集孔壁（温感探头）温度作为孔壁传热数据分析。 设备材料： 主要有水泵、热泵机组、热能表（温感器、流量计、积算­­仪）过滤器、PE管、PE管件。水泵变频器、机组变频器、温感探头、电子温度器。 施工工艺：用D32高密度聚乙稀PE管做成105米长的U型管，管距固定大于80 mm @500 mm，每15米捆绑两只温感探头与管距形成三角型，按要求做好耐压试验，在钻好的120 mm孔中埋设，回填细砂混凝土（该钻孔中的PE管将来可以作为地热换热器的一个支路使用），在回路中充满水做静压试验合格后再与其它环路部件连接，完成整体连结后统一进行定压试验。