《地源热泵地埋管计算方法.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地源热泵地埋管计算方法.doc（9页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、地源热泵地埋部分设计（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 应用。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，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不 锈钢钢管，但目前实际应用不多。4、管件公称压力不得小于l.OMpa,工作温度应在-20 C50C范围内。5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为 11倍选择。6、
2、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。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 0C,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 12C，与 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37C, 与冷却塔进水温度相同。2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调
3、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34C。当然为了使地埋管 换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，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4C左右。天津市年平均气温
4、是12.2C，实 测天津市地下约100米的地温约为16C，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，因此应用多层管的较多。（单层管最佳深度1.22.0m
5、，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（w 30m）、中埋（3180n）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100 150mm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 25mm。其换热效率较U形管提高16.7%。缺点
6、：下管比较困难，初投 资比U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏， 因此适用于深度w 30m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出； 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，因此成本较串联方式低； 所需防冻液少；
7、 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 出空气； 各并联管道的长度尽量一致（偏差应w 10%，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与出口有相同的压力，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）地下埋管系统设计地下换热量计算地下换热量可以由下述公式计算：Q1= Q1*（1+1/COP1） kW（ 1）Q2
8、= Q2*（1-1/COP2） kW（ 2）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， kWCOP1设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2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。 水平埋管单位管材“换热能力”在 2040W/m（管
9、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 冬季从土壤取出的热量， w分母“ 20”是每 m 管长冬季从土壤取出的热量， 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 的大小与运行状况（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）等等有关。建议串联
10、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）,水平埋管 为2040W/m（管长）左右。设计时可取换热能力的下限值，即 35W/m
11、(管长)，双U管设计具体 计算公式如下：L=Q1/25( 3)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50100卅，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)(4)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。关于竖井间距有资料指出：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，
12、其竖井水平间距为6m而DN20的 U型管， 其竖井水平间距为3亦。若采用串联连接方式，可采用三角形布置(详见 2)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3nr6m。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，两端应分别与供、回水管路 集管相连接。每个环路集管连接的环路数宜相同。
13、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、管径与流速设计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与管道内壁之间的传 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以下或一般把各管段压力损失控制在 4mH2 O/100m当 量长度
14、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，与 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、 重力作用静压和水泵扬程一 半的总和 1 ，即：P=P0+ p
15、 gH+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 地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差， mPh 水泵扬程， Pa3 其它3.1 与常规空调系统类似，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t w= 34C ,湿球温度ts= 28.2 C冬季室外干球温度tw= -4 C,相对湿度二75% 2、室内设计参数夏季室内温度tn = 27C,相对湿度 n = 55%冬季室
16、内温度tn= 20C,相对湿度 n = 45%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 o2、计算地下负荷根据公式( 1)、( 2)计算得Q1= Q1*(1+1/COP1)=24.54*(1+1/5.9)=28.7 kWQ2= Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48 k
17、W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 女口图 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 12345678 -9- 10-11111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 = 1000 kg/m ,2当地重力加速度 g = 9.8 m/s , 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+ p gH+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。