地源熱泵的埋管

  1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟

 。1)建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同,可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè),在此不再贅述。

  冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量?梢杂上率龉絒2]計(jì)算:

  kW (1)

  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 COP1、COP2 .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。

 。2)地下熱交換器設(shè)計(jì)這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,主要包括地下熱交換器形式及管材選擇,管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定,管道阻力計(jì)算及水泵選型等。

 。3)其它

  2 地下熱交換器設(shè)計(jì)

  2.1 選擇熱交換器形式

  2.1.1 水平(臥式)或垂直(立式)

  在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李?lèi)型以及鉆孔費(fèi)用,確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管,可采用人工挖掘,初投資一般會(huì)便宜些,但它的換熱性能比豎埋管小很多,并且往往受可利用土地面積的限制,所以在實(shí)際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。

  根據(jù)埋管方式不同,垂直埋管大致有3種形式:

  (1)U型管

  (2)套管型

 。3)單管型。

  套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多,管徑一般在50mm以下,埋管越深,換熱性能越好,資料表明:最深的U型管埋深已達(dá)180m.U型管的典型環(huán)路有3種,其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。

  2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián)地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費(fèi)用較高,并且長(zhǎng)度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費(fèi)用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí),其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文,即常采用單 U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。

  2.2 選擇管材一般來(lái)講,一旦將換熱器埋入地下后,基本不可能進(jìn)行維修或更換,這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足,且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多,應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以,土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯( PE)和聚丁烯(PB)管材,它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀,可以保證使用50年以上;而PVC管材由于不易彎曲,接頭處耐壓能力差,容易導(dǎo)致泄漏,因此,不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。

  2.3 確定管徑在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(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。

  2.4 確定豎井埋管管長(zhǎng)地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外,還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料,如地下溫度、傳熱系數(shù)等。

  文獻(xiàn) [2]介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟, 很繁瑣,并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中,可以利用管材“換熱能力”來(lái)計(jì)算管長(zhǎng)。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量,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[3].

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

  (3) 其中 Q1'——豎井埋管總長(zhǎng),m

  L ——夏季向土壤排放的熱量,kW

  分母“35”是夏季每m管長(zhǎng)散熱量,W/m

  2.5 確定豎井?dāng)?shù)目及間距國(guó)外,豎井深度多數(shù)采用 50~100m,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:

 。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,可采用三角形布置來(lái)節(jié)約占地面積。

  2.6 計(jì)算管道壓力損失在同程系統(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?刹捎卯(dāng)量長(zhǎng)度法,將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長(zhǎng)度,和管道實(shí)際長(zhǎng)度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量度,再乘以不同流量、不同管徑管段每 100m管道的壓降,將所有管段壓降相加,得出總阻力。

  結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)長(zhǎng)江流域及其周?chē)貐^(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景,但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素(如地下熱交換器的傳熱強(qiáng)化、土壤性質(zhì)等)的研究還很有限,設(shè)計(jì)時(shí)大致可以遵循以下原則:

 。1)若建筑物周?chē)衫玫乇砻娣e充足,應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式;相反,若建筑物周?chē)衫玫乇砻娣e有限,應(yīng)采用豎直U型埋管方式。

 。2)盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管,但并聯(lián)方式采用小管徑,初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低,所以在實(shí)際工程中常用,且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡,最好設(shè)計(jì)成同程式。

  (3)選擇管徑時(shí),除考慮安裝成本外,一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m(當(dāng)量長(zhǎng)度)以下,同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動(dòng)處于紊流過(guò)渡區(qū)。

  轉(zhuǎn)貼的資料,僅供參考,具體還要看當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況(地層,含水率以及采用埋管的形式)