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地源热泵地埋管计算方法.doc

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  • 卖家[上传人]:壹****1
  • 文档编号:444600432
  • 上传时间:2022-12-21
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    • 地源热泵地埋部分设计(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l.OMpa,工作温度应在-20 C〜50C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°C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 0C,因此一 般均需使用防冻液①盐类溶液一一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— 12C,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<37C, 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—4C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 0C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4C左右天津市年平均气温是12.2C,实 测天津市地下约100米的地温约为16C,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(w 30m)、中埋(31〜80n)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© 50mm以下2)套管式换热器:的外管直径一般为 100〜200mm内管为© 15〜© 25mm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w 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w 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 ①100、①150、①200或①300, 天津地区地表土壤层很厚,为了钻孔、下管方便多采用 ①300孔径三)地下埋管系统设计'•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,kWQ1——夏季设计总冷负荷, kWQ2'——冬季从土壤吸收的热量,kWQ2——冬季设计总热负荷, kWCOP1——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, mQ ——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 1.2m2、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,mQ1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50〜100卅,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,mH ――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4.5m⑻,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3亦。

      若采用串联连接方式,可采用三角形布置(详见 [2])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注意事项1、 垂直地埋管换热器埋管深度应大于 30m宜为60m〜150m钻孔间 距宜为3nr〜6m水平管埋深应不小于1.2m2、 地埋管换热器水平干管坡度宜为 0.3%,不应小于0.2%3、 地埋管环路之间应并联且同程布置,两端应分别与供、回水管路 集管相连接每个环路集管连接的环路数宜相同4、 地埋管换热器宜靠近机房或以机房为中心设置铺设供、回水集管的管沟宜分开布置;供、回水集管的间距不应小于 0.6m三、管径与流速设计1、确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求:(1) 管道要大到足够保持最小输送功率;(2) 管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传 热显然,上述两个要求相互矛盾,需要综合考虑一般并联环路用小管径, 集管用大管径,地下热交换器埋管常用管径有 20mm、25mm、32mm、40mm、50mm,管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道,管内流 速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在 4mH2 O/100m当 量长度以下。

      备注: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+ p gH+0.5Ph其中 p ——管路最大压力, PaP0 ——建筑物所在的当地大气压, Pap 地下埋管中流体密度,kg/m3g ——当地重力加速度, m/s2H ——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差, mPh ——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.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t w= 34C ,湿球温度ts= 28.2 C冬季室外干球温度tw= -4 C,相对湿度©二75% 2、室内设计参数夏季室内温度tn = 27C,相对湿度© n = 55%冬季室内温度tn= 20C,相对湿度© n = 45%.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,。

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