地源熱泵地埋管的設(shè)計(jì)選型

時(shí)間：2017-11-08作者：德州浩明空調(diào)設(shè)備有限公司瀏覽：347

（一）管材選擇及流體介質(zhì)

一、管材

一般來講，一旦將地下埋管系統(tǒng)換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，因此地下的管材應(yīng)首先要保證其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐性。

1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2、PVC（聚氯乙烯）管的導(dǎo)熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC 管。

3、為了強(qiáng)化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實(shí)際應(yīng)用不多。

4、管件公稱壓力不得小于1.0Mpa，工作溫度應(yīng)在-20℃～50℃范圍內(nèi)。

5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇。 
6、地埋管應(yīng)能按設(shè)計(jì)要求長度成捆供應(yīng)，中間不得**械接口及金屬接頭。




二、連接

1、熱熔聯(lián)接（承接聯(lián)接和對接聯(lián)接，對于小管徑常采用）

2、電熔聯(lián)結(jié)




三、流體介質(zhì)及回填料

流體介質(zhì)

南方地區(qū)：由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；

北方地區(qū)：冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均**0℃，因此一般均需使用防凍液。（①鹽類溶液——氯化鈣和氯化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。




埋管水溫：

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)管的較高溫度應(yīng) <37℃，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。

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。 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。但這樣會提高工程造價(jià)、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。地溫是恒定值，可通過測井實(shí)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(shí)測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規(guī)律。




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)際測試比較澆鑄混凝土換熱性能較好，但造**、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(jià)低，可廣泛采用。 

（二）埋管系統(tǒng)環(huán)路

一、埋管方式




1、水平埋管

水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由于多層埋管的下層管處于一個(gè)較穩(wěn)定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應(yīng)用多層管的較多。（單層管較佳深度1.2～2.0m，雙層管1.6～2.4m）

近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點(diǎn)是使地溝長度縮短，而可埋設(shè)的管子長度增加。

2 、垂直埋管

根據(jù)埋管形式的不同，一般有單U 形管，雙U 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設(shè)深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。

1）U 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，U 形管徑一般在φ50mm 以下。

2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為φ15～φ25ｍｍ。其換熱效率較U 形管提高16.7%。缺點(diǎn)：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內(nèi)管進(jìn)、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管，對中埋采用此種形式宜慎重。




二、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式




1、串聯(lián)方式

優(yōu)點(diǎn)：①一個(gè)回路具有單*通通路，管內(nèi)積存的空氣容易排出；

②串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子，因此對于單位長度埋管換熱量來講，串聯(lián)方式換熱性能略高

缺點(diǎn)：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高；

②由于系統(tǒng)管徑大，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液（如乙醇水溶液）多；

③安裝勞動成本增大；

④管路系統(tǒng)不能太長，否則系統(tǒng)阻力損失太大。

2、并聯(lián)方式

優(yōu)點(diǎn)：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低；

②所需防凍液少；

③安裝勞動成本低。

缺點(diǎn)：

①設(shè)計(jì)安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高，以充分排出空氣；

②各并聯(lián)管道的長度盡量一致（偏差應(yīng)≤10%），以保證每個(gè)并聯(lián)回路有相同的流量；

③確保每個(gè)并聯(lián)回路的進(jìn)口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達(dá)到此目的。

從國內(nèi)外工程實(shí)踐來看，中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多；淺埋管采用串聯(lián)方式的多




三、地埋管打孔孔徑




孔徑：

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。

（三）地下埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)




一．地下?lián)Q熱量計(jì)算




地下?lián)Q熱量可以由下述公式計(jì)算：

Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）

Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）

其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW

COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的 、 。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。




二、地下熱交換設(shè)計(jì)




1.水平埋管：

確定管溝數(shù)目:

埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長）左右，；設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即20 W/m。

單溝單管埋管總長具體計(jì)算公式如下： L=Q/20

其中L ——埋管總長，m

Q ——冬季從土壤取出的熱量，w

分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，W/m

單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管布置時(shí)分別乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的熱干擾系數(shù)（熱協(xié)調(diào)系數(shù)）。

確定管溝間距：

為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距。該間距的大小與運(yùn)行狀況（如連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行；間歇運(yùn)行的開、停機(jī)比等）、埋管的布置形式（如單行布置，只有兩邊有熱干擾；多排布置，四面均有熱干擾）等等有關(guān)。

建議串聯(lián)每溝1 管，管徑1/4"～2"；串聯(lián)每溝2 管， 1 又1/4"～1 又1/2"。并聯(lián)每溝2 管， 1"～1 又1/4"；并聯(lián)每溝4～6 管，管徑13/4"～1"。

管溝間距：每溝1 管的間距1.2m，每溝2 管的間距1.8m，每溝4 管間距3.6m。管溝內(nèi)較上面管子的管**到地面的的較小高度不小于1.2m。

2、豎直埋管

確定豎井埋管管長

一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m(井深)，垂直雙U 形管為80～100W/m(井深)左右，設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值。

一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），雙U管設(shè)計(jì)具體計(jì)算公式如下：

L=Q1/25 （3）

其中 L——豎井埋管總長，m

Q1——夏季向土壤排放的熱量， W

分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m

確定豎井?dāng)?shù)目及間距

國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目:

N=L/(4*H) （4）

其中 N——豎井總數(shù)，個(gè)

L——豎井埋管總長，m

H——豎井深度，m

分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。

然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。

關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m[3]，也有實(shí)例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m[4]。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置（詳見[2]）來節(jié)約占地面積。

工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運(yùn)行，埋管間距可取3.0m；工程較大，埋管多排布置，地源熱泵間歇運(yùn)行，建議取間距4.5m；若連續(xù)運(yùn)行（或停機(jī)時(shí)間較少）建議取5～6m




注意事項(xiàng)

1、垂直地埋管換熱器埋管深度應(yīng)大于30m，宜為60m～150m；鉆孔間距宜為3m～6m。水平管埋深應(yīng)不小于1.2m。 

2、地埋管換熱器水平干管坡度宜為0.3%，不應(yīng)小于0.2%。 

3、地埋管環(huán)路之間應(yīng)并聯(lián)且同程布置，兩端應(yīng)分別與供、回水管路集管相連接。每個(gè)環(huán)路集管連接的環(huán)路數(shù)宜相同。 

4、地埋管換熱器宜靠近機(jī)房或以機(jī)房為中心設(shè)置。鋪設(shè)供、回水集管的管溝宜分開布置；供、回水集管的間距不應(yīng)小于0.6m。




三、管徑與流速設(shè)計(jì)




1、確定管徑 

在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求：

（1）管道要大到足夠保持較小輸送功率；

（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。

顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對較大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH２O/100m當(dāng)量長度以下。 

備注：

① 地下埋管換熱器環(huán)路壓力損失限制在30～50kPa/100m 為好，較大不**過50kPa/100m。同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(qū)。

② 地下埋管系統(tǒng)單位冷噸（1 冷噸=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s．t

③ 較小管內(nèi)流速（流量）：在相同管徑、相同流速下，水的雷諾數(shù)較大大。所以采用CaCl2 和乙二醇水溶液時(shí)，為了保證管內(nèi)的紊流流動，與水相比需采用大的流速和流量。

2、校核管材承壓能力

管路較大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計(jì)豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的較大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和[1]，即：

P=P0+ρgH+0.5Ph

其中 p——管路較大壓力，Pa

P0——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a

ρ——地下埋管中流體密度，kg/m3

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2

H——地下埋管較低點(diǎn)與閉式循環(huán)系統(tǒng)較高點(diǎn)的高度差，m

Ph——水泵揚(yáng)程，Pa

3其它

3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在**閉式循環(huán)系統(tǒng)較高點(diǎn)處（一般為1m）設(shè)計(jì)膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。


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