地源熱泵地埋管施工計(jì)算方法

1、地源熱泵地埋管施工計(jì)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(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(shí)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 C50 c范圍內(nèi)。5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比

2、為11 倍選擇。6、地埋管應(yīng)能按設(shè)計(jì)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 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0 ，因此一般均需使用防凍液。（鹽類溶液一一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(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設(shè)計(jì)供回水溫度為7 （ 12 ，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入 U 管的最高溫度應(yīng)<37 ，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同。2、熱泵機(jī)組冬季

3、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(yùn)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 （ 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(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(shí)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

4、。天津市年平均氣溫是12.2 ，實(shí)測天津市地下約100 米的地溫約為16 ，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(shí)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

5、2.0m,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(diǎn)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 g 30m ）、中埋（3180m ）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 100150mm ,井深10200m , U形管徑一般在小50mm以下。2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100200mm ,內(nèi)管為小15<j>2

6、5 m m。其換熱效率較 U形管提高16.7% o缺點(diǎn)：下管比較困難，初投資比U形管高。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0 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(diǎn)：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(diǎn)：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(diǎn)：由于可用較小管徑的管子

7、，因此成本較串聯(lián)方式低；所需防凍液少；安裝勞動成本低。缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)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)010%）,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(shí)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(shè)計(jì)一地下?lián)Q熱量計(jì)算地下?lián)Q熱量可以由下述公式計(jì)算：Q1'= Q1*（1

8、+1/COP1）kWQ2'= Q2*（1-1/COP2）kW其中Q1' 夏季向土壤排放的熱量，kWQ1 夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kWQ2' 冬季從土壤吸收的熱量， kWQ2 冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kWCOP1 設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù) COP2 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(jì)算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的、 。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。二、地下熱交換設(shè)計(jì)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

9、位管材“換熱能力”在2040W/m （管長）左右，；設(shè)計(jì)時可取換熱能力的下限值，即 20 W/m 。單溝單管埋管總長具體計(jì)算公式如下：L=Q/20其中 L 埋管總長， mQ 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(yùn)行狀況（如連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行；間歇運(yùn)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

10、均有熱干擾）等等有關(guān)。建議串聯(lián)每溝1管，管徑就？康；串聯(lián)每溝2管，1又就？1又就土。并聯(lián)每溝2管，幺1又就？；并聯(lián)每溝46管，管徑？?尷就。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∮?.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7）左右, 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時可取換熱能力的下限值，即3

11、5W/m （管長） ，雙 U 管設(shè)計(jì)具體計(jì)算公式如下：L=Q1/25其中L豎井埋管總長，mW 夏季向土壤排放的熱量， Q1 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50100m ,設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H,代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目 : N=L/（4*H）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”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2 倍。然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)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 ，也有實(shí)例中提到

12、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 。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運(yùn)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(yùn)行，建議取間距 4.5m ;若連續(xù)運(yùn)行（或停機(jī)時間較少）建議取 56m注意事項(xiàng)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3m6m。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

13、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(jì)1 、確定管徑在實(shí)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，管內(nèi)流速控制在50mm 、 40mm 、 32mm 、 25mm 、 20mm 地下熱交換器埋管常用管徑有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

14、失控制在4mH 2O/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3050kPa/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 0.160.19L/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(jì)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(yáng)程一半

15、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?，Pa 地下埋管中流體密度，kg/m3g 當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?m/s2H 地下埋管最低點(diǎn)與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)的高度差， mPh 水泵揚(yáng)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(diǎn)處（一般為1m ）設(shè)計(jì)膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。（四）設(shè)計(jì)舉例一設(shè)計(jì)參數(shù)上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積212m2 。1 、室外設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室外干球溫度tw=34C,濕球溫度ts=28.2C冬季室外干球溫度tw =-4 C,相對濕度小=75 %2、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)夏季室內(nèi)溫度tn = 27 C ,相對濕度

16、小n =55 % %45 = n相對濕度小,C20 = tn冬季室內(nèi)溫度.二計(jì)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(jì)算方法，計(jì)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(jì)總冷負(fù)荷為24.54kW ， 冬季設(shè)計(jì)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(jì)舉例工況下的COP1 =5.9, COP2=4.2。2、計(jì)算地下負(fù)荷根據(jù)公式(1 ) 、 ( 2)計(jì)算得Q1'= Q1*(1+1/COP1)=24.54*(1+1/5.9)=28.7kWQ2'= Q2*(1-1/

17、COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48kW取夏季向土壤排放的熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(jì)算得N=L/(4*H)=5.74 個圓整后取6 個豎井，豎井間距取4 m 。6、計(jì)算地埋管壓力損失參照本文2.6介紹的計(jì)算方法，分別計(jì)算1 23 4 5 67 89 10 11 11' g'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(jī)