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1、地源热泵地埋管施工计算方法（一）管材选择及流体介质一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地 下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵系统中得到了广泛使用。2、PVC （聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。3、 为了强化地下埋管的换热，国外有的提岀采用薄壁（0.5mm ）的不锈钢钢管，但目前 实际使用不多。4、 管件公称压力不得小于I.OMpa，工作温度应在-20 C50 C范围内。5、 地埋管壁厚宜按外径和壁厚
2、之比为11倍选择。6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。二、连接1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0C以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0 C，因此一般均需使用防冻液。（盐类溶液一一氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等）。埋管水温：1、 热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7 12 C,和普通冷水机组相同。 地埋管中循环水进入 U管的最高温度应 <37 C，和冷却塔进水温度相同。2、热泵机组
3、冬季向末端系统供水温度和常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3 4C。当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水和大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将 循环水温降至0C以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高 工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满 足要求，不一定要加防冻液。地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4 C
4、左右。天津市年平均气温是12.2 C,实测天津市地下约100米的地温约为16 °C,基本符合以上规律。回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、 施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结 合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采 用。（二）埋管系统环路一、埋管方式1、水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形 式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少， 因此使用多层管的较
5、多。（单层管最佳深度1.22.0m，双层管1.62.4m ）近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它 们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。2、垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（w30m ）、中埋（31 80m ）和深埋（80m ）。1） U形管型：是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100150mm，井深10200m， U形管径一般在$ 50mm 以下。2） 套管式换热器：的外管直径一般为100200mm，内管为$ 15$
6、25 mm。其换热效率较U形管提高16.7%。缺点：下管比较困难，初投资比U形管高。在套管端部和内管进、岀水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度w30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。二、地下埋管系统环路方式1、串联方式优点：一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排岀； 串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换 热性能略高缺点：串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多； 安装劳动成本增大； 管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。2、并联方式优点：由于可用较小管径的管子
7、，因此成本较串联方式低； 所需防冻液少； 安装劳动成本低。缺点： 设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排岀空气； 各并联管道的长度尽量一致(偏差应W10% )，以保证每个并联回路有相同的流量； 确保每个并联回路的进口和岀口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此 目的。从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多。三、地埋管打孔孔径孔径：根据地质结构不同，钻孔孔径可以是100、150、200或300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用300孔径。(三) 地下埋管系统设计一地下换热量计算地下换热量可以由下述公式计算：Q1'
8、= Q1*(1+1/C0P1)kWQ2'= Q2*(1-1/COP2)kW其中Q1'夏季向土壤排放的热量，kWQ1 夏季设计总冷负荷，kWQ2'冬季从土壤吸收的热量，kWQ2冬季设计总热负荷，kWC0P1 设计工况下水源热泵机组的制冷系数C0P2 设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的、。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。二、地下热交换设计1. 水平埋管：确定管沟数目：埋管管长的估算：利用管材“换热能力”，即单位埋管管长的换热量。水平埋管单
9、位管材“换热能力"在 2040W/m （管长）左右，；设计时可取换热能力的下限值，即20 W/m 。单沟单管埋管总长具体计算公式如下：L=Q/20其中L埋管总长，mQ 冬季从土壤取岀的热量，w分母“ 20 ”是每m管长冬季从土壤取岀的热量，W/m单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70的热干扰系数（热协调系数）。确定管沟间距：为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小和运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只 有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）
10、等等有关。建议串联每沟1管，管径1/4"2"串联每沟 2管，1又1/4"1又1/2"。并联每沟2管，1"1又1/4"并联每沟 46管，管径13/4"1"。管沟间距：每沟 1管的间距1.2m，每沟2管的间距1.8m，每沟4管间距3.6m。管沟 内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。2、竖直埋管确定竖井埋管管长一般垂直单U形管埋管的换热能力为6080 W/m（井深），垂直双U形管为80100W/m（井深）左右，设计时可取换热能力的下限值。一般垂直埋管为 70110W/m（井深），或3555W/m（管长），
11、水平埋管为 20 40W/m （管长）左右。设计时可取换热能力的下限值，即35W/m （管长），双 U管设计具体计算公式如下：L=Q1/25其中L竖井埋管总长，mQ1 夏季向土壤排放的热量，W分母“ 35 ”是夏季每 m管长散热量， W/m确定竖井数目及间距国外，竖井深度多数采用50100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目：N=L/（4*H）其中N 竖井总数，个L竖井埋管总长，mH 竖井深度，m分母“ 2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔 和安装成本大大增加。关于竖井间距有资
12、料指岀： U型管竖井的水平间距一般为 4.5m，也有实例中提到 DN25 的U型管，其竖井水平间距为 6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为 3m。若采用串联 连接方式，可采用三角形布置来节约占地面积。工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m ;工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m ;若连续运行(或停机时间较少)建议取 56m注意事项1、 垂直地埋管换热器埋管深度应大于30m，宜为60m150m ;钻孔间距宜为 3m6m。水平管埋深应不小于1.2m。2、 地埋管换热器水平干管坡度宜为0.3%，不应小于0.2%。3、地埋管环路之间应并联且同程布置
13、，两端应分别和供、回水管路集管相连接。每个环 路集管连接的环路数宜相同。4、地埋管换热器宜靠近机房或以机房为中心设置。铺设供、回水集管的管沟宜分开布置；供、回水集管的间距不应小于0.6m。三、管径和流速设计1、确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求：(1 )管道要大到足够保持最小输送功率；(2 )管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体和管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s
14、以下或一般把各管段压力损失控制在4mH 2 O/100m 当量长度以下。备注：地下埋管换热器环路压力损失限制在3050kPa/100m 为好，最大不超过50kPa/100m 。同时应使管内流动处于紊流过渡区。 地下埋管系统单位冷吨（1冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在 0.160.19L/S . t 最小管内流速（流量）：在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。所以采用 CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，和水相比需采用大的流速和流量。2、校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的 最大压力等于大气压力、
15、重力作用静压和水泵扬程一半的总和1，即：P=P0+ pgH+0.5Ph其中p 管路最大压力，PaP0 建筑物所在的当地大气压，PaP地下埋管中流体密度，kg/m3g当地重力加速度，m/s2H 地下埋管最低点和闭式循环系统最高点的高度差，mPh水泵扬程，Pa3其它3.1和常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m ）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。（四）设计举例一设计参数上海某复式住宅空调面积212m2。1、室外设计参数夏季室外干球温度 tw = 34 °C ,湿球温度ts = 28.2 °C冬季室外干球温度 tw = -4 C ,相对湿度75 %2、室内
16、设计参数夏季室内温度tn = 27 C ,相对湿度$ n = 55 %冬季室内温度tn = 20 C ,相对湿度$ n = 45 %二计算空调负荷及选择主要设备1、参考常规空调建筑物冷热负荷的计算方法，计算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数（取 0.8 ），得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择NOBO SI20TR 型地源源热泵机组 1台，本设计举例工况下 的 COP1 = 5.9， COP2 = 4.2。2、计算地下负荷根据公式(1 )、( 2 )计算得Q1'= Q1*(1 + 1/COP1)=24.54*(1+1/
17、5.9)=28.7kWQ2'= Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48kW取夏季向土壤排放的热量进行设计计算。3、确定管材及埋管管径选用聚乙烯管材 PE63( SDR11 )，并联环路管径为DN20，集管管径分别为 DN25、DN32、DN40、DN50，如图 1 所示。4、确定竖井埋管管长根据公式(3)计算得L=28.7*1000/25=1148 m5、确定竖井数目及间距选取竖井深度50m，根据公式(4)计算得N=L/(4*H)=5.74 个圆整后取6个竖井，竖井间距取 4 m。6、计算地埋管压力损失参照本文2.6介绍的计算方法，分别计算1 2 3 4
18、 5 6 7 8 9 10 T1 T1' 1 '各管段的压力损失，得到各管段总压力损失为40kPa。再加上连接到热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，所选水泵扬程为15mH2O 。7、校核管材承压能力南京夏季大气压力 P0 = 100250 Pa ，水的密度p= 1000kg/m3，当地重力加速度g = 9.8 m/s2 ，高度差 H = 50.5 m重力作用静压P gH = 494900 Pa水泵扬程一半 0.5Ph = 7.5 mH2O = 73529 Pa因此，管路最大压力P=P0+ pgH+0.5Ph = 673550Pa (约 0.7Mpa )聚乙烯PE-100额定承压能力为 1.6MPa，管材完全满足设计要求。