武漢中央空調(diào)的安裝流程
1 概述
是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降因此，目前在國(guó)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(xiàng)新技術(shù)?，F(xiàn)在尚未見(jiàn)到有關(guān)地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)供設(shè)計(jì)人員使用，但又不能等待設(shè)計(jì)手冊(cè)出版后才使用地源熱泵技術(shù)。筆者從實(shí)踐角度對(duì)中小型地源熱泵空調(diào)工程設(shè)計(jì)程序進(jìn)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(jì)。本文將著重探討有關(guān)地下?lián)Q熱器的問(wèn)題。
2 地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式
眾所周知，熱泵機(jī)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(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動(dòng)通過(guò)循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過(guò)管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)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(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國(guó)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(chǎng)、操場(chǎng)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(jiàn)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(fèi)用相對(duì)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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？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(dá)到預(yù)計(jì)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(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)高、施工難度大，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價(jià)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(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí)，由于蓄熱地溫提高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升，停機(jī)時(shí)水溫又有所下降，當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反，由于取熱地溫下降，當(dāng)建筑物失熱最多時(shí)，換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。
設(shè)計(jì)時(shí)，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?yàn)檫@個(gè)設(shè)定和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。如夏季溫度設(shè)定較低，對(duì)熱泵壓縮機(jī)制冷工況有利，機(jī)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(zhǎng)度要加長(zhǎng)。反之溫度設(shè)定較高，鉆孔數(shù)和埋管長(zhǎng)度均可減少，可節(jié)省投資，但熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)cop值下降，能耗增加。設(shè)定值應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。舒適100認(rèn)為埋管水溫應(yīng)如下設(shè)定：
4.1 熱泵機(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計(jì)供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入U(xiǎn)管的最高溫度應(yīng) 37℃，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。
4.2 熱泵機(jī)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(jī)組運(yùn)行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。
我們知道風(fēng)機(jī)盤(pán)管供熱能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，所以風(fēng)機(jī)盤(pán)管的選型是以夏季冷負(fù)荷選型、冬季熱負(fù)荷校核。采用地源熱泵空調(diào)冬季供熱時(shí)，可根據(jù)冬季熱負(fù)荷實(shí)際情況，讓風(fēng)機(jī)盤(pán)管冬季也滿負(fù)荷運(yùn)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(jī)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(jìn)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(huì)提高工程造價(jià)、增加對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)算很不方便，因?yàn)楹茈y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(jìn)行計(jì)算，則較為簡(jiǎn)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(guò)單位長(zhǎng)度換熱管，單位時(shí)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(shí)間換熱量，Q=C m(t進(jìn)-t出) W；
L—換熱管有效長(zhǎng)度 m；
TP—流體介質(zhì)平均溫度， ℃；
T進(jìn)—U型管換熱器進(jìn)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(guò)測(cè)井實(shí)測(cè)。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(shí)測(cè)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(yùn)行方式（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)還是間斷運(yùn)轉(zhuǎn)）。
綜合傳熱系數(shù)k可通過(guò)測(cè)井測(cè)得。由公式⑵可以看出，做一個(gè)地面鉆孔與預(yù)計(jì)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(cè)出各個(gè)參數(shù)帶入公式⑵即可計(jì)算出綜合傳熱系數(shù)。
測(cè)井也可測(cè)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(yùn)行初期波動(dòng)值較大，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后其值趨于一穩(wěn)定值。我們通過(guò)實(shí)測(cè)K值波動(dòng)在一個(gè)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(dòng)平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)誤差不會(huì)太大。
6 豎直埋管地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)
6.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)與熱泵機(jī)組
6.1 .1 計(jì)算建筑物空調(diào)夏季冷負(fù)荷及冬季熱負(fù)荷。
6.1.2 確定夏季冷水的供回水溫度及地埋管進(jìn)出水溫度，進(jìn)而確定機(jī)組中工質(zhì)的夏季蒸發(fā)溫度及冷凝溫
6.1.3 計(jì)算冬季風(fēng)機(jī)盤(pán)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(jìn)水溫度，根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)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(fù)荷、機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,以及冬季熱負(fù)荷和冬季機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，就可以進(jìn)行熱泵機(jī)組的選型設(shè)計(jì)，或?qū)?shù)提供給生產(chǎn)廠家，由廠家制造熱泵機(jī)組。
6.1.5 確定熱泵機(jī)組型式（活塞機(jī)、螺桿機(jī)、蝸旋壓縮機(jī)等），查出或計(jì)算出該機(jī)組在夏季埋管水溫最高時(shí)和冬季埋管水溫最低時(shí)工況下的COP值。
6.2 計(jì)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(fù)荷加上埋管最高水溫時(shí)機(jī)組消耗功率（機(jī)組消耗功率等于夏季冷負(fù)荷除以埋管最高水溫時(shí)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(fù)荷減去埋管最低水溫
時(shí)機(jī)組所消耗的功率（機(jī)組消耗功率等于冬季熱負(fù)荷除以埋管最低水溫時(shí)COP值）。
6.3 計(jì)算豎直埋管總長(zhǎng)度
6.3.1 夏季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)算
①夏季換熱溫差DTx 8C
DTx=Tx-Td ……………………⑶
式中：
Tx ü 夏季豎直埋管內(nèi)最高設(shè)計(jì)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。
③夏季豎直埋管換熱器埋管總長(zhǎng)度Lx m
……………………⑸
式中：
Q夏—建筑物夏季總冷負(fù)荷 W；
A—安全系數(shù)，取1.1-1.2。
6.3.2 冬季豎直埋管總長(zhǎng)度計(jì)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(jì)平均水溫8C。
?、诙久棵棕Q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(zhǎng)度LD m
……………………⑻
式中：
Q冬—建筑物冬季總熱負(fù)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(zhǎng)度
以上計(jì)算取LX、LD二者中較大數(shù)值為本工程埋管總長(zhǎng)度L m。
6.4 計(jì)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(jì)算
……………………⑼
式中:
n—U型豎直埋管個(gè)數(shù)；
H—豎直埋管設(shè)計(jì)有效深度 m；
L—埋管總長(zhǎng)度 m。
6.4.2 豎直埋管布置形式
結(jié)合工程場(chǎng)地可一字型布置、L型布置或矩陣型布置均可，根據(jù)測(cè)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(yàn)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(huì)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(hào)
流速確定后計(jì)算循環(huán)水流量及壓力損失即可選擇循環(huán)水泵的型號(hào)。
地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)特點(diǎn)比較(1萬(wàn)平方建筑，負(fù)荷為100瓦/平方)
項(xiàng)目 地源熱泵 溴化鋰吸收式直燃機(jī)組 水冷機(jī)組+燃油(氣)熱水鍋爐 水冷機(jī)組+電熱鍋爐
占地面積 機(jī)房占地面積小可設(shè)在地下室 機(jī)房占用建筑面積，冷卻塔占用屋頂面積儲(chǔ)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(chǔ)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(fù)荷
設(shè)備壽命 20年 10年 冷水機(jī)組20年燃油鍋爐10年 冷水機(jī)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(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水
驅(qū)動(dòng)能源方式 電能能源利用系數(shù)為3.8-4.5 燃油或燃?xì)饽茉蠢孟禂?shù)80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季燃油或燃?xì)?0% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季90%
環(huán)境保護(hù) 無(wú)燃燒污染，水資源不和制冷劑接觸，水沒(méi)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(wú)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(jī)房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜鍋爐房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警裝置 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜
它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
（1）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(jìn)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(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)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(wú)處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層并類似于一種無(wú)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(jì)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(duì)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(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，低能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可*、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
據(jù)美國(guó)環(huán)保署（EPA）估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
?。?）運(yùn)行穩(wěn)定可
正是由于地層溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其溫度的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的波動(dòng)，是很好的冷熱源；同時(shí)由于溫度的恒定性，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可*、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
?。?）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(huì)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(jī)率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙；也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)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(kāi)機(jī)的頻率和空氣過(guò)熱和過(guò)冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適應(yīng)供冷、供熱負(fù)荷的分區(qū)。
?。?）一機(jī)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(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)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(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
?。?）自動(dòng)運(yùn)行
地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可*，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，可無(wú)人值守；此外，機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，均在20年以上。
武漢家用中央空調(diào)耗電嗎。
