地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)

1、地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二第2頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二土壤溫度隨深度變化示意圖月份01020304004080120160200240280320360地 表2 FT（0.6m)5 FT (1.5m)12 FT (3.6m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12天數(shù)第3頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二地源熱泵 普通空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于制冷來(lái)說(shuō)，地源熱泵與常規(guī)冷水機(jī)組最大的區(qū)別是：空調(diào)系統(tǒng)的冷卻水冷卻變?yōu)榈叵滤蛲寥览鋮s。制熱和生活熱水供應(yīng)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)可以替代鍋爐。第4頁(yè)，

2、共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二第5頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二地源熱泵系統(tǒng)的組成 室外地能換熱系統(tǒng)土壤源地下水地表水 水源熱泵機(jī)組 室內(nèi)采暖空調(diào)末端第6頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二什么是地源熱泵地源熱泵是一種利用地表或地下淺層地?zé)岬鹊蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)既能供熱又能制冷、低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。第7頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二地下水換熱系統(tǒng)（ground water system） 與地下水進(jìn)行熱交換的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，分為直接地下水

3、換熱系統(tǒng)和間接地下水換熱系統(tǒng)。投資最小、需回灌、有污垢直接地下水換熱系統(tǒng) 由抽水井取出的地下水，經(jīng)處理后直接流經(jīng)水源熱泵機(jī)組熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統(tǒng)。 間接地下水換熱系統(tǒng) 由抽水井取出的地下水經(jīng)中間換熱器熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統(tǒng)。第8頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二一、巖土熱物性參數(shù) 巖土體類型、熱特性、熱傳導(dǎo)性、含水率、密度、溫度等是影響地埋管換熱系統(tǒng)性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的導(dǎo)熱性大于水平方向的導(dǎo)熱性，巖土的熱物性參數(shù)可參見(jiàn)表1。表1 巖土熱物性參數(shù)序號(hào)巖土名稱天然含水量密度導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)比熱容(%)(kg/

4、m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)1粉土16.315900.630.001291.112粉土22.919201.260.001581.53粉土26.921301.790.002641.154粉土25.318501.450.001781.595粉土2619301.610.002221.356粘性土26.319901.410.001641.567粘性土1920001.20.001521.428粘性土29.820501.660.001711.719粘性土30.121101.630.001971.41第9頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二導(dǎo)熱系數(shù)比熱容序號(hào)巖土名

5、稱天然含水量密度導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)比熱容(%)(kg/m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)10粘性土2721701.550.001831.4111粘性土2920201.690.001841.6412粘性土31.421401.850.002231.413粘性土2020901.190.001361.5114細(xì)砂22.118001.60.002091.5315細(xì)砂11.115700.730.001651.0216細(xì)砂5.513100.640.00176117細(xì)砂814200.650.001960.8418細(xì)砂16.114600.860.00211.0119中砂714900.790.002

6、010.9520中砂13.815101.060.002550.9921粗砂12.412601.060.002851.0622礫砂8.919501.410.002810.9323礫砂5.316001.040.00280.8424粗礫砂23.321301.880.002281.3925粗礫砂21.922001.750.001881.5226圓礫9.518601.440.003180.8827圓礫10.518300.940.001980.93表1 巖土熱物性參數(shù)第10頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二序號(hào)巖土名稱天然含水量密度導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)比熱容(%)(kg/m3)(W/m

7、.K)(m2/h)(kJ/kg.K)28卵石+砂9.818401.620.003580.8929砂巖22501.840.00350.8430石灰?guī)r27003.140.00460.9131石灰?guī)r22501.280.002450.8432石灰?guī)r20001.160.002270.9233石灰?guī)r17000.930.002140.9234大理石+花崗巖30003.60.005170.8435大理石+花崗巖28003.450.004870.9136花崗巖27003.140.00460.9137石灰質(zhì)凝灰?guī)r13000.520.001570.9238灰質(zhì)頁(yè)巖17600.830.001661.02表1 巖土熱物

8、性參數(shù)第11頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二二、地埋管管材地埋管管材及管件應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，且應(yīng)具有質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告和出廠合格證。地埋管管材及管件應(yīng)采用相同材料，且應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動(dòng)阻力小等質(zhì)量特性，一般采用高密度聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB），不宜采用聚氯乙烯（PVC）管。地埋管質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)規(guī)定。聚乙烯管應(yīng)符合給水用聚乙烯（PE）管材GB/J13663的要求；聚丁烯管應(yīng)符合冷熱水用聚丁烯（PB）管道系統(tǒng)GB/T194732的要求。管材的公稱壓力及使用溫度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，且管材的公稱壓力不宜小于1.0MPa。地

9、埋管外徑及壁厚可按表2、表3的規(guī)定選用。 第12頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二公稱外徑dn平均外徑公稱壁厚/材料等級(jí)最小最大公稱壓力1.0MPa1.25 MPa1.6MPa202020.3252525.32.3+0.5/PE80323232.33.0+0.5/PE803.0+0.5/PE100404040.43.7+0.6/PE803.7+0.6/PE100505050.54.6+0.7/PE804.6+0.7/PE100636363.64.7+0.8/PE804.7+0.8/PE1005.8+0.9/PE100757575.74.5+0.7/PE1005.6+0.

10、9/PE1006.8+1.1/PE100909090.95.4+0.9/PE1006.7+1.1/PE1008.2+1.3/PE1001101101116.6+1.1/PE1008.1+1.3/PE10010.0+1.5/PE100125125126.27.4+1.2/PE1009.2+1.4/PE10011.4+1.8/PE100140140141.38.3+1.3/PE10010.3+1.6/PE10012.7+2.0/PE100160160161.59.5+1.5/PE10011.8+1.8/PE10014.6+2.2/PE100180180181.710.7+1.7/PE10013.3

11、+2.0/PE10016.4+3.2/PE100200200201.811.9+1.8/PE10014.7+2.3/PE10018.2+3.6/PE100225225227.113.4+2.1/PE10016.6+3.3/PE10020.5+4.0/PE100250250252.314.8+2.3/PE10018.4+3.6/PE10022.7+4.5/PE100280280282.616.6+3.3/PE10020.6+4.1/PE10025.4+5.0/PE100315315317.918.7+3.7/PE10023.2+4.6/PE10028.6+5.7/PE100355355358.2

12、21.1+4.2/PE10026.1+5.2/PE10032.2+6.4/PE100400400403.623.7+4.7/PE10029.4+5.8/PE10036.3+7.2/PE100表2 聚乙烯（PE）管外徑及公稱壁厚（mm）第13頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二公稱外徑dn平均外徑公稱壁厚最小最大202020.31.9+0.3252525.32.3+0.4323232.32.9+0.4404040.43.7+0.55049.950.54.6+0.6636363.65.8+0.7757575.76.8+0.8909090.98.2+1.011011011110

13、.0+1.1125125126.211.4+1.3140140141.312.7+1.4160160161.514.6+1.6表3 聚丁烯（PB）管外徑及公稱壁厚（mm）第14頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二二、地埋管管材埋地管道應(yīng)采用熱熔或電熔連接。聚乙烯管道的連接應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程（CJJ101）的有關(guān)規(guī)定。地埋管宜根據(jù)設(shè)計(jì)中選用的管材長(zhǎng)度由廠家成捆供貨，以減少埋管接頭數(shù)量。豎直地埋管U形管的組對(duì)長(zhǎng)度應(yīng)能滿足插入鉆孔后與水平環(huán)路集管連接的要求。組對(duì)好的U形管的兩接頭部位應(yīng)及時(shí)密封。豎直地埋管換熱器的U形管接頭，宜選用定型的U形彎頭成品

14、件，不宜采用直管道煨制彎頭，有條件時(shí)宜由生產(chǎn)廠家將彎頭或定型連接件與U形管連接好，成套供貨。第15頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二三、地埋管水力計(jì)算 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際選用的傳熱介質(zhì)的水力特性進(jìn)行水力計(jì)算。國(guó)內(nèi)目前塑料管的比摩阻均是以水為傳熱介質(zhì)，對(duì)添加防凍劑的水溶液均無(wú)相應(yīng)數(shù)據(jù)，水力計(jì)算時(shí)可按地源熱泵工程技術(shù)指南（Ground-source heat pump engineering manual）推薦的方法進(jìn)行。1) 確定管內(nèi)流體的流量、公稱直徑和流體特性。2) 根據(jù)公稱直徑，確定地埋管的內(nèi)徑。計(jì)算地埋管的斷面面積： 式中 地埋管的斷面面積（ ）； 地

15、埋管的內(nèi)徑（m）。第16頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二三、地埋管水力計(jì)算4) 計(jì)算管內(nèi)流體的流速: 式中 V 管內(nèi)流體的流速（m/s）； G 管內(nèi)流體的流量（ ）。5) 計(jì)算管內(nèi)流體的雷諾數(shù)，應(yīng)該大于2300以確保紊流： 式中 管內(nèi)流體的雷諾數(shù)； 管內(nèi)流體的密度（ ）； 管內(nèi)流體的動(dòng)力黏度（ ）第17頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二三、地埋管水力計(jì)算6) 計(jì)算管段的沿程阻力 ： 式中 計(jì)算管段的沿程阻力（Pa）； 計(jì)算管段單位管長(zhǎng)的沿程阻力（Pa/m）； 計(jì)算管段的長(zhǎng)度（m）。7) 計(jì)算管段的局部阻力： 式中 計(jì)算管段的局部阻力（Pa）；

16、計(jì)算管段管件的當(dāng)量長(zhǎng)度（m）。 管件的當(dāng)量長(zhǎng)度可按表4計(jì)算。第18頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二名義管徑彎頭的當(dāng)量長(zhǎng)度（m）T形三通的當(dāng)量長(zhǎng)度（m）90標(biāo)準(zhǔn)型90長(zhǎng)半徑型45標(biāo)準(zhǔn)型180標(biāo)準(zhǔn)型旁流三通直流三通直流三通后縮小1/4直流三通后縮小1/23/8DN100.40.30.20.70.80.30.40.41/2DN120.50.30.20.80.90.30.40.53/4DN200.60.40.311.20.40.60.61DN250.80.50.41.31.50.50.70.85/4DN3210.70.51.72.10.70.913/2DN401.20.80.

17、61.92.40.81.11.22DN501.510.82.53.111.41.55/2DN631.81.313.13.71.31.71.83DN752.31.51.23.74.61.52.12.37/2DN902.71.81.44.65.51.82.42.74DN1103.121.65.26.422.73.15DN12542.526.47.62.53.746DN1604.93.12.47.69.23.14.34.98DN2006.143.110.112.245.56.1表4 管件當(dāng)量長(zhǎng)度表 第19頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二三、地埋管水力計(jì)算8) 計(jì)算管段的總阻

18、力 ： 式中 計(jì)算管段的總阻力（Pa）。在相同管徑、相同流速下，雷諾數(shù)大小依次為：水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其臨界流速比為：1：2.12：2.45。為了保持管內(nèi)的紊流流動(dòng)，CaCl2水溶液、乙二醇水溶液需采用比水大的流速和流量。在相同管徑、相同流速下，水的換熱系統(tǒng)最大，其大小依次為：水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關(guān)，其大小比值約為：1：0.470.62：0.410.56 第20頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二三、地埋管水力計(jì)算由于地埋管換熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)的流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑（過(guò)渡）區(qū)內(nèi)，即2300Re 。在此范圍內(nèi)，在相同

19、管徑、相同流速下，CaCl2水溶液、乙二醇水溶液管路沿程阻力為水的1.44倍和1.28倍。一般來(lái)說(shuō)，地埋管換熱器的環(huán)路壓力損失宜控制在3050KPa/100m，最大不超過(guò)50 KPa/100m。在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算。地埋管最不利環(huán)路的壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其它設(shè)備管件的壓力損失，并考慮一定的安全裕量，即可確定地埋管側(cè)循環(huán)水泵的揚(yáng)程。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)程，選擇滿足要求的水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)。第21頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求 地埋管換熱器施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格檢查并做好管材保護(hù)工作。當(dāng)室外環(huán)境溫度低于0時(shí)，不宜進(jìn)行地埋管換熱器的施工。地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地埋管換熱器的承壓能力，地埋管換熱器的承壓能力可按下式計(jì)算確定： 其中 管路最大壓力（Pa）； 地埋管中流體密度（ ）； 重力加速度（ ）； 地埋管最低點(diǎn)與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)的高度差(m)； 水泵揚(yáng)程（m）。第22頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)57分，星期二四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求若建筑物內(nèi)系統(tǒng)壓力超過(guò)地埋管換熱器的承