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地源熱泵地埋部分施工設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　地源熱泵地埋部分打井尺寸鋼絲骨架管電熔三段參數(shù)，管材選擇，管材選型及施工設(shè)計(jì)

　　（一）管材選擇及流體介質(zhì)

　　一、管材

　　一般來(lái)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，因此地下鋼絲骨架管電熔三段參數(shù)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(guó)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(guó)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(chēng)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(jì)要求長(zhǎng)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(duì)接聯(lián)接，對(duì)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。

　?。á冫}類(lèi)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(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(xiǎn)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(huì)提高工程造價(jià)、增加對(duì)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(guò)測(cè)井實(shí)測(cè)。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(shí)測(cè)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(jià)、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價(jià)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(jià)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(gè)較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，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(lái)國(guó)外又新開(kāi)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(zhǎng)度縮短，而可埋設(shè)的管子長(zhǎng)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(pán)管和大直徑螺旋盤(pán)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(diǎn)：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≤30m 的豎埋直管，對(duì)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)：①一個(gè)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(duì)于單位長(zhǎng)度埋管換熱量來(lái)講，串聯(lián)方式換熱性能略高

　　缺點(diǎn)：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；

　　 ③安裝勞動(dòng)成本增大；

　　 ④管路系統(tǒng)不能太長(zhǎng)，否則系統(tǒng)阻力損失太大。

　　2、并聯(lián)方式

　　優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)成本低。

　　缺點(diǎn): ①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；

　　 ②各并聯(lián)管道的長(zhǎng)度盡量一致（偏差應(yīng)≤10%），以保證每個(gè)并聯(lián)回路有相同的流量；

　　 ③確保每個(gè)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(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐來(lái)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Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用Ф300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+1/COP1) kW （1）

　　 Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）

　　其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW

　　Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW

　　Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW

　　Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW

　　COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

　　COP2——設(shè)計(jì)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(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的 、 。若樣本中無(wú)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(zhǎng)的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長(zhǎng)的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長(zhǎng)）左右，；設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即20 W/m。

　　單溝單管埋管總長(zhǎng)具體計(jì)算公式如下： L=Q/20

　　其中L ——埋管總長(zhǎng)，m

　　Q ——冬季從土壤取出的熱量，w

　　分母“20”是每m 管長(zhǎng)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(shí)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(kāi)、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∮?.2m。

　　2、豎直埋管

　　確定豎井埋管管長(zhǎng)

　　一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m(井深)，垂直雙U 形管為80～100W/m(井深)左右，設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǎng))，水平埋管為20～40W/m（管長(zhǎng)）左右。

　　設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長(zhǎng)），雙U管設(shè)計(jì)具體計(jì)算公式如下：

　　 L=Q1/25 （3）

　　其中 L——豎井埋管總長(zhǎng)，m

　　Q1——夏季向土壤排放的熱量， W

　　分母“35”是夏季每m管長(zhǎng)散熱量，W/m

　　確定豎井?dāng)?shù)目及間距

　　國(guó)外，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目:

　　 N=L/(4*H) （4）

　　其中 N——豎井總數(shù)，個(gè)

　　L——豎井埋管總長(zhǎng)，m

　　H——豎井深度，m

　　分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長(zhǎng)約等于豎井深度的2倍。

　　然后對(duì)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[3]，也有實(shí)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(jiàn)[2]）來(lái)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(shí)間較少）建議取5～6m

　　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(gè)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(kāi)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(gè)要求：

　?。?）管道要大到足夠保持最小輸送功率；

　?。?）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(gè)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(duì)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(zhǎng)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(guò)50kPa/100m。同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動(dòng)處于紊流過(guò)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(shí)，為了保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，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铀俣龋琺/s2

　　 H——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，m

　　 Ph——水泵揚(yáng)程，Pa

　　3其它

　　3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類(lèi)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。

　?。ㄋ模┰O(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＝34℃, 濕球溫度ts＝28.2℃

　　冬季室外干球溫度tw＝-4℃, 相對(duì)濕度φ＝75％

　　2、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　夏季室內(nèi)溫度tn＝27℃, 相對(duì)濕度φn＝55％

　　冬季室內(nèi)溫度tn＝20℃, 相對(duì)濕度φn＝45％

　　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(pán)管型號(hào)；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NOBO SI20TR型地源源熱泵機(jī)組1臺(tái)，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)=28.7 kW

　　 Q2'= 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(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。

　　4、確定豎井埋管管長(zhǎng)

　　根據(jù)公式（3）計(jì)算得

　　L=28.7*1000/25=1148 m

　　5、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(gè)

　　圓整后取 6 個(gè)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1－2－3－4－5－6－7－8－9－10─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(jī)組的管路壓力損失，以及熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚(yáng)程為15mH2O。

　　7、校核管材承壓能力

　　南京夏季大氣壓力 P0＝100250 Pa，水的密度 ρ＝1000 kg/m3，

　　當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g＝9.8 m/s2， 高度差 H＝50.5 m

　　重力作用靜壓 ρgH＝494900 Pa

　　水泵揚(yáng)程一半 0.5Ph＝7.5 mH2O＝73529 Pa

　　因此，管路最大壓力 P=P0+ρgH+0.5Ph＝673550Pa（約0.7Mpa）

　　聚乙烯PE-100額定承壓能力為1.6MPa，管材完全滿足設(shè)計(jì)要求。