地源熱泵地埋管計算方法

地源熱泵地埋管計算方法地埋部分設(shè)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(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)在一20°C?50°C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)計要求長度成捆供應(yīng)，中間不得有機(jī)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°C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)水溫度一般均低于0C,因此一般均需使用防凍液。（①鹽類溶液一-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)計供回水溫度為7—12C，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入。管的最高溫度應(yīng)〈37C，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—4C。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(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?C左右.天津市年平均氣溫是12°2C，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.

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、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。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(yīng)用多層管的較多.(單層管最佳深度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。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(W30m)、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e50mm以下。

2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100?200mm，內(nèi)管為祖15??25mm.其換熱效率較U形管提高16.7%。缺點: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W30m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：①一個回路具有單一流通通路，管內(nèi)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：①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)內(nèi)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: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:①設(shè)計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；各并聯(lián)管道的長度盡量一致（偏差應(yīng)＜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(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①100、①150、①200或①300,天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用中300孔徑。（三）地下埋管系統(tǒng)設(shè)計地下?lián)Q熱量計算地下?lián)Q熱量可以由下述公式計算：Q1'=Q1大（1+1/COP1）kW（1）Q2'=Q2H—1/COP2)kW(2)

Q2'=Q2H—1/COP2)kW(2)其中Q1'--夏季向土壤排放的熱量，kWQ1—-夏季設(shè)計總冷負(fù)荷，kWQ2'—冬季從土壤吸收的熱量，kWQ2--冬季設(shè)計總熱負(fù)荷,kWCOP1—-設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP2—-設(shè)計工況下水源熱泵機(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)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的、。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。二、地下熱交換設(shè)計水平埋管：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)計時可取換熱能力的下限值，即20W/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

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(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)最上面管子的管頂?shù)降孛娴牡淖钚「叨炔恍∮?。2口。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?80W/m（井深），垂直雙。形管為80~100W/m（井深）左右，設(shè)計時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)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m(管長)，雙。管設(shè)計具體計算公式如下:L=Q1/25(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?dāng)?shù)目及間距國外，豎井深度多數(shù)采用50~100m[2]，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目：N=L/(4*H)(4)其中N-一豎井總數(shù)，個L——豎井埋管總長，mH——豎井深度，m分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。然后對計算結(jié)果進(jìn)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(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(jī)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(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，對更大管徑的管道，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：地下埋管換熱器環(huán)路壓力損失限制在30?50kPa/100m為好，最大不超過50kPa/100m。同時應(yīng)使管內(nèi)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最小管內(nèi)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最大壓力應(yīng)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+PgH+0。5Ph其中p—-管路最大壓力，PaP0--建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍aP地下埋管中流體密度，kg/m3

g--當(dāng)?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(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。（四）設(shè)計舉例一.設(shè)計參數(shù)上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積212m2。1、室外設(shè)計參數(shù)夏季室外干球溫度tw=34°C，濕球溫度ts=28.2°C冬季室外干球溫度tw=—4C,相對濕度祖=75%2、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn=27C,相對濕度en=55%

冬季室內(nèi)溫度tn=20°C,相對濕度en=45%二.計算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備1、參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負(fù)荷的計算方法，計算得到各房間冷熱負(fù)荷并選擇風(fēng)機(jī)盤管型號;考慮房間共用系數(shù)（取0。8）,得到建筑物夏季設(shè)計總冷負(fù)荷為24。54kW,冬季設(shè)計總熱符負(fù)荷為16。38kW，選擇NOBOSI20TR型地源源熱泵機(jī)組1臺，本設(shè)計舉例工況下的COP1=5.9,COP2=4。2。2、計算地下負(fù)荷根據(jù)公式（1）、（2）計算得Q1’=Q1*（1+1/COP1）=24.54大（1+1/5.9）=28。7kWQ2'=Q2*（1—1/COP2）=16。38大（1—1/4.2）=12.48kW取夏季向土壤排放的熱量進(jìn)行設(shè)計計算。3、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DN20，集管管徑分別為DN25、DN32、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大1000/25=11485、確定豎井?dāng)?shù)目及間距選取豎井深度50m，根據(jù)公式（4）計算得N=L/（4大H）=5。74個圓整后取6個豎井，豎井間距取4m。6、計算地埋管壓力損失參照本文2.6介紹的計算方法，分別計算1—2—3—4—5—6—7—8—9—10—11—11’一1’各管段的壓力損失，得到