地源熱泵地埋管計算方法

1、地源熱泵地埋管計算方法地埋部分設計（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，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩(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)中得到了廣泛應用。2、PVC（聚氯乙烯）管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC管。3、 為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前 實際應用不多。4、管件公稱壓力不得小于 I.OMpa,工作溫度應在-20C50C圍。5、 地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為1

2、1倍選擇。6、地埋管應能按設計要求長度成捆供應，中間不得有機械接口及金屬接頭。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，冬季地下埋管進水溫度在0C以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區(qū)：冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低于 0C,因此一般均需使用防凍液。（鹽類溶液-氯化鈣和氯化鈉水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等）。埋管水溫：1、 熱泵機組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設計供回水溫度為 7-12C,與普通冷水機組相同。 地埋管中循環(huán)水進入 U管的最高溫度應 <37C，與冷卻塔進水溫度相同。2、熱泵機組冬季向末端系

3、統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組運行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。地埋管中循環(huán)水冬季進水溫度，以水不凍結(jié)并留安全余地為好，可取3-4C。當然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與間溫差傳熱，然而的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0C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、增加對設備的腐蝕。在嚴寒地區(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，可通過測井實測。有關資料介紹某地地下約 100米的地溫是當?shù)啬昶骄?氣溫加4C左右。天津市年平均氣

4、溫是12.2 C,實測天津市地下約 100米的地溫約為16C,基本符合以上規(guī)律?；靥畈牧峡梢赃x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、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、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，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1.22.0

5、m，雙層管1.62.4m）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)點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。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；按埋設深度不同分為淺埋（w30m）、中埋（31 800）和深埋（80m）。1） U形管型：是在鉆孔的管井安裝 U形管，一般管井直徑為100150mm井深10200m U形管徑一般在 $ 50mm以下。2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100200mm管為0 15$ 25mm。其換熱效率較U形管提高16.7%。缺點：下

6、管比較困難，初投資比U形管高。在套管端部與管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度w 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：一個回路具有單一流通通路，管積存的空氣容易排出； 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：串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高； 由于系統(tǒng)管徑大，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)需充注的防凍液（如乙醇水溶液） 多; 安裝勞動成本增大； 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：由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低；所需防凍液少;安裝勞動成本低。

7、缺點：設計安裝中必須特別注意確保管流體流速較高，以充分排出空氣； 各并聯(lián)管道的長度盡量一致(偏差應W 10%，以保證每個并聯(lián)回路有相同的 流量； 確保每個并聯(lián)回路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱， 可達到此目的。從國外工程實踐來看，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100、150、200或 300,天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用300孔徑。(三) 地下埋管系統(tǒng)設計一地下?lián)Q熱量計算地下?lián)Q熱量可以由下述公式計算：Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW(1)Q2'= Q2

8、*(1-1/COP2)kW(2)Q1-夏季設計總冷負荷，kWQ2'-冬季從土壤吸收的熱量，kWQ2-冬季設計總熱負荷，kWC0P1-設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)C0P2-設計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應從樣本中選用設計工況下的、。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。二、地下熱交換設計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 2040W/m（管長）左右，；設計時可取換熱能力的下限值，

9、即20 W/m。單溝單管埋管總長具體計算公式如下：L=Q/20其中L -埋管總長，m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。該間距的大小與運行狀況（如連續(xù)運行還是間歇運行；間歇運行的開、停機比等）、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。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"

10、。并聯(lián)每 溝2管，1"1又1/4"并聯(lián)每溝 46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 最上面管子的管頂?shù)降孛娴牡淖钚「叨炔恍∮?.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6080 W/m（井深），垂直雙U形管為80100W/m（井深）左右，設計時可取換熱能力的下限值。一般垂直埋管為 70110W/m井深），或3555W/m管長），水平埋管為2040W/m（管 長）左右。設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m(管長)，雙U管設計具體計算公式如下:L=Q1/2

11、5( 3)其中L-豎井埋管總長，mQ1-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確定豎井數(shù)目及間距國外，豎井深度多數(shù)采用50100m2，設計者可以在此圍選擇一個豎井深度H,代入下式計算豎井數(shù)目：N=L/(4*H)(4)其中N-豎井總數(shù)，個L-豎井埋管總長，mH-豎井深度，m分母“2”是考慮到豎井埋管管長約等于豎井深度的2倍。然后對計算結(jié)果進行圓整， 若計算結(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。關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為 4.5m3，也有實例中提到DN25 的U型管，其豎井水平間距為6m而DN20的U型管，其

12、豎井水平間距為3m4。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，地源熱泵間歇運行，建議取間距4.5m；若連續(xù)運行（或停機時間較少）建議取5 6m注意事項1、 垂直地埋管換熱器埋管深度應大于30m,宜為60m150m；鉆孔間距宜為 3m6m> 水平管埋深應不小于 1.2m。2、 地埋管換熱器水平干管坡度宜為0.3%，不應小于0.2%。3、地埋管環(huán)路之間應并聯(lián)且同程布置，兩端應分別與供、回水管路集管相連接。每個 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房或以機房為中心設置。

13、鋪設供、回水集管的管溝宜分開布置；供、回水集管的間距不應小于0.6m。三、管徑與流速設計1、確定管徑在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求:（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率;（2）管道要小到足夠使管道保持紊流以保證流體與管道壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾， 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管流速控制在 1.22m/s以 下，對更大管徑的管道，管流速控制在 2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在 4mH2 O/100m當量長度以下。備注： 地下埋管換熱器環(huán)路壓力損失限制在3050

14、kPa/100m為好，最大不超過50kPa/100m。同時應使管流動處于紊流過渡區(qū)。 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 最小管流速（流量）：在相同管徑、相同流速下，水的雷諾數(shù)最大大。所以采用CaCl2 和乙二醇水溶液時，為了保證管的紊流流動，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最大壓力應小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和1，即：P=P0+p gH+0.5Ph其中p-管路最大壓力，PaP -地下埋管中流體密度，kg

15、/m3g-當?shù)刂亓铀俣?，m/s2H-地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差，mPh-水泵揚程，Pa3其它3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處（一般為1m）設計膨脹水箱 或膨脹罐，放氣閥等附件。（四）設計舉例設計參數(shù)某復式住宅空調(diào)面積 212m21、室外設計參數(shù)夏季室外干球溫度tw = 34C ,濕球溫度ts = 28.2 C冬季室外干球溫度tw = -4C,相對濕度 $ = 75%2、室設計參數(shù)夏季室溫度tn = 27C,相對濕度 $ n= 55%冬季室溫度tn = 20C,相對濕度 $ n= 45%計算空調(diào)負荷及選擇主要設備1、參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負荷的計算方法，計

16、算得到各房間冷熱負荷并選擇風機盤管型號；考慮房間共用系數(shù)（取 0.8 ），得到建筑物夏季設計總冷負荷為24.54kW，冬季設計總熱符負荷為16.38kW，選擇NOBO SI20TR型地源源熱泵機組 1臺，本設計舉例工況下的 COP1= 5.9 , COP2= 4.2。2、計算地下負荷根據(jù)公式（1 ）、（ 2）計算得Q1'= Q1*(1 + 1/COP1)=24.54*(1 + 1/5.9)=28.7kWQ2'= Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48kW取夏季向土壤排放的熱量 進行設計計算。DN20集管管徑分別為 DN25 DN323、確定管材及埋管管徑選用聚乙烯管材 PE63（ SDR11，并聯(lián)環(huán)路管徑為DN40 DN50如圖1所示。4、確定豎井埋管管長根據(jù)公式（3）計算得L=28.7*1000/25=1148 m5、確定豎井數(shù)目及間距選取豎井深度50m根據(jù)公式（4）計算得N=L/(4*H)=5.74圓整后取6個豎井，豎井間距取 4 m 。6、計算地埋管壓力損失40kPa。再加上連接到熱泵機組的管路參照本文2.6介紹的計算方法， 分別計算1 2 3- 4- 5 6