地源热泵地埋管施工计算方法

宏健冷暖—中央空调、采暖、新风、净水、除尘。长沙市马王堆中路东玺门L5栋2层地源热泵地埋管施工计算方法（一）管材选择及流体介质一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。2、PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。二、连接1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。（①盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。埋管水温：1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。

（二）埋管系统环路一、埋管方式1、水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m）近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。2、垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。1）U形管型：是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100～150mm，井深10~200m，U形管径一般在φ50mm以下。2）套管式换热器：的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。其换热效率较U形管提高16.7%。缺点：⑴下管比较困难，初投资比U形管高。⑵在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。二、地下埋管系统环路方式1、串联方式优点：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高缺点：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；①地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。同时应使管内流动处于紊流过渡区。②地下埋管系统单位冷吨（1冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s．t③最小管内流速（流量）：在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。所以采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。2、校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：P=P0+ρgH+0.5Ph其中p——管路最大压力，Pa

P0——建筑物所在的当地大气压，Pa

ρ——地下埋管中流体密度，kg/m3

g——当地重力加速度，m/s2

H——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m

Ph——水泵扬程，Pa3其它3.1与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。（四）设计举例一．设计参数上海某复式住宅空调面积212m2。1、室外设计参数夏季室外干球温度tw＝34℃,湿球温度ts＝28.2℃冬季室外干球温度tw＝-4℃,相对湿度φ＝75％2、室内设计参数夏季室内温度tn＝27℃,相对湿度φn＝55％冬季室内温度tn＝20℃,相对湿度φn＝45％二．计算空调负荷及选择主要设备1、参考常规空调建筑物冷热负荷的计算方法，计算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数（取0.8），得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择NOBOSI20TR型地源源热泵机组1台，本设计举例工况下的

COP1＝5.9，COP2＝4.2。2、计算地下负荷根据公式（1）、（2）计算得

Q1'=Q1*(1+1/COP1)=24.54*(1+1/5.9)=28.7kW

Q2'=Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48kW取夏季向土壤排放的热量进行设计计算。3、确定管材及埋管管径选用聚乙烯管材PE63（SDR11），并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25、DN32、DN40、DN50，如图1所示。4、确定竖井埋管管长根据公式（3）计算得

L=28.7*1000/25=1148

m5、确定竖井数目及间距选取竖井深度50m，根据公式（4）计算得

N=L/(4*H)=5.74个圆整后取6个竖井，竖井间距取4m。6、计算地埋管压力损失参照本文2.6介绍的计算方法，分别计算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10─11─11′－1′各管段的压力损失，得到各管段总压力损失为40kPa。再加上连接到热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，所选水泵扬程为15mH2O。7、校核管材承压能力南京夏季大气压力P0＝100250Pa，水的密度ρ＝1000kg/