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行业资讯

地源热泵地埋管设计

新闻时间:2020-07-31 文章来源:未知 文章作者:ztcjjt
(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;

③安装劳动成本增大;

④管路系统不能太长,否则系统阻力损失太大。

2、并联方式   

优点:①由于可用较小管径的管子,因此成本较串联方式低;

②所需防冻液少;

③安装劳动成本低。

缺点: ①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高,以充分排出空气;

②各并联管道的长度尽量一致(偏差应≤10%),以保证每个并联回路有相同的流量;

③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力,使用较大管径的管子做集箱,可达到此目的。   

从国内外工程实践来看,中、深埋管采用并联方式者居多;浅埋管采用串联方式的多种。

三、地埋管打孔孔径

孔径: 根据地质结构不同,钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300,天津地区地表土壤层很厚,为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。

(三)地下埋管系统设计

一.地下换热量计算 

地下换热量可以由下述公式计算:

Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW (1)

Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW (2)

其中Q1'——夏季向土壤排放的热量,kW

Q1——夏季设计总冷负荷,kW

Q2'——冬季从土壤吸收的热量,kW

Q2——冬季设计总热负荷,kW

COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数

COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数  

一般地,水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数,计算时应从样本中选用设计工况下的 。若样本中无所需的设计工况,可以采用插值法计算。

二、地下热交换设计

1.水平埋管:  

确定管沟数目:  

埋管管长的估算:利用管材“换热能力”,即单位埋管管长的换热量。水平埋管单位管材“换热能力”在20~40W/m(管长)左右,;设计时可取换热能力的下限值,即20 W/m。   

单沟单管埋管总长具体计算公式如下:L=Q/20  

其中L ——埋管总长,m

Q ——冬季从土壤取出的热量,w

分母“20”是每m 管长冬季从土壤取出的热量,W/m

单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的热干扰系数(热协调系数)。   

确定管沟间距:

为了防止埋管间的热干扰,必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况(如连续运行还是间歇运行;间歇运行的开、停机比等)、埋管的布置形式(如单行布置,只有两边有热干扰;多排布置,四面均有热干扰)等等有关。

建议串联每沟1 管,管径1/4“~2”;串联每沟2 管, 1 又1/4“~1 又1/2”。并联每沟2 管, 1“~1 又1/4”;并联每沟4~6 管,管径13/4“~1”。   

管沟间距:每沟1 管的间距1.2m,每沟2 管的间距1.8m,每沟4 管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。

2、竖直埋管   

确定竖井埋管管长

一般垂直单U 形管埋管的换热能力为60~80 W/m(井深),垂直双U 形管为80~100W/m(井深)左右,设计时可取换热能力的下限值。

一般垂直埋管为70~110W/m(井深),或35~55W/m(管长),水平埋管为20~40W/m(管长)左右。   

设计时可取换热能力的下限值,即35W/m(管长),双U管设计具体计算公式如下:

L=Q1/25  (3)

其中 L——竖井埋管总长,m

Q1——夏季向土壤排放的热量,W

分母“35”是夏季每m管长散热量,W/m

确定竖井数目及间距

国外,竖井深度多数采用50~100m,设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H,代入下式计算竖井数目:

N=L/(4*H)  (4)   

其中 N——竖井总数,个

L——竖井埋管总长,m

H——竖井深度,m   

分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。

然后对计算结果进行圆整,若计算结果偏大,可以增加竖井深度,但不能太深,否则钻孔和安装成本大大增加。

关于竖井间距有资料指出:U型管竖井的水平间距一般为4.5m,也有实例中提到DN25的U型管,其竖井水平间距为6m,而DN20的U型管,其竖井水平间距为3m。若采用串联连接方式,可采用三角形布置来节约占地面积。   

工程较小,埋管单排布置,地源热泵间歇运行,埋管间距可取3.0m;工程较大,埋管多排布置,地源热泵间歇运行,建议取间距4.5m;若连续运行(或停机时间较少)建议取5~6m

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