地源熱泵地埋管計算方法

1、地源熱泵地埋部分設計（一）管材選擇及流體介質一、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l.OMpa,工作溫度應在-20 C50C范圍內。5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為 11倍選擇。6、

2、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。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)結三、流體介質及回填料流體介質南方地區(qū)：由于地溫高，冬季地下埋管進水溫度在 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，地下埋管進水溫度一般均低于 0C,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統(tǒng)供水溫

3、度與常規(guī)空調不同，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，以水不凍結并留安全余地為好，可取34C。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)啬昶骄鶜鉁丶?C左右。天津

4、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?；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，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1

5、.22.0m，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（w 30m）、中埋（3180n）和深埋（80m）。1） U形管型：是在鉆孔的管井內安裝U形管，一般管井直徑為100 150mm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內管為© 15©

6、25mm。其換熱效率較U形管提高16.7%。缺點：下管比較困難，初投 資比U形管高。在套管端部與內管進、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，管內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)內需充注的防凍 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

7、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。缺點： 設計安裝中必須特別注意確保管內流體流速較高，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。從國內外工程實踐來看，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)地質結構不同，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'地下?lián)Q熱量計算地下?lián)Q熱量可以由下述公式

8、計算：Q1'= Q1*（1+1/COP1） kW（ 1）Q2'= Q2*（1-1/COP2） kW（ 2）其中 Q1' 夏季向土壤排放的熱量，kWQ1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， kWCOP1設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)COP2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

9、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，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， 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

10、）、 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" 。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。管溝內最上面管子的管頂?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8010

11、0W/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=Q1/25( 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 確定豎井數(shù)目及間距國外，豎井深度多數(shù)采用50100卅，設計者可以在此范圍內選擇一 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”是考慮到豎井內埋管管長約等于豎井深度的 2倍。然后

12、對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，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4.5m，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3亦。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 56m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3nr6m。水平管

13、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。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內保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳 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20m

14、m、25mm、32mm、40mm、50mm,管內流速控制在1.22m/s以下，對更大管徑的管道，管內流 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 3050kPa/100m為好，最大不 超過50kPa/100m=同時應使管內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，為了保證管內的紊流流動，與 水相比需采用大的流速和

15、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， PaP0 建筑物所在的當?shù)卮髿鈮海?Pap地下埋管中流體密度，kg/m3g 當?shù)刂亓铀俣龋?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)上海某復式住宅空調面積 212m2。1 、室外設計參數(shù)

16、夏季室外干球溫度t w= 34C ,濕球溫度ts= 28.2 C冬季室外干球溫度tw= -4 C,相對濕度©二75% 2、室內設計參數(shù)夏季室內溫度tn = 27C,相對濕度© n = 55%冬季室內溫度tn= 20C,相對濕度© n = 45%計算空調負荷及選擇主要設備1、參考常規(guī)空調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 , CO

17、P2=4.2 o2、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)=28.7 kWQ2'= Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48 kW取夏季向土壤排放的熱量 進行設計計算。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 女口圖 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 個圓整后取 6 個豎井,豎井間距取 4 m 。6、計算地埋管壓力損失參照本文 2.6 介紹的計算方法,分別計算 12345678 -9- 10-11111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