地源熱泵地埋管施工計算方法

宏健冷暖—中央空調(diào)、采暖、新風(fēng)、凈水、除塵。長沙市馬王堆中路東璽門L5棟2層地源熱泵地埋管施工計算方法（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(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-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)計要求長度成捆供應(yīng)，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，地下埋管進水溫度一般均低于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、熱泵機組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計供回水溫度為7—12℃，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(yīng)<37℃，與冷卻塔進水溫度相同。2、熱泵機組冬季向末端系統(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—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、增加對設(shè)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(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、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?；靥钌呈蛩槭瘬Q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(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：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、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：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；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：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；①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)。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．t③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+ρgH+0.5Ph其中p——管路最大壓力，Pa

P0——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa

ρ——地下埋管中流體密度，kg/m3

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2

H——地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差，m

Ph——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℃,濕球溫度ts＝28.2℃冬季室外干球溫度tw＝-4℃,相對濕度φ＝75％2、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn＝27℃,相對濕度φn＝55％冬季室內(nèi)溫度tn＝20℃,相對濕度φn＝45％二．計算空調(diào)負荷及選擇主要設(shè)備1、參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負荷的計算方法，計算得到各房間冷熱負荷并選擇風(fēng)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(shè)計總冷負荷為24.54kW，冬季設(shè)計總熱符負荷為16.38kW，選擇NOBOSI20TR型地源源熱泵機組1臺，本設(shè)計舉例工況下的

COP1＝5.9，COP2＝4.2。2、計算地下負荷根據(jù)公式（1）、（2）計算得

Q1'=Q1*(1+1/COP1)=24.54*(1+1/5.9)=28.7kW

Q2'=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(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*1000/25=1148

m5、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*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′－1′各管段的壓力損失，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機組的管路壓力損失，以及熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚程為15mH2O。7、校核管材承壓能力南京夏季大氣壓力P0＝100250Pa，水的密度ρ＝1000kg/