地埋管地源熱泵設計

1、地源熱泵系統(tǒng)的組成地源熱泵機組水循環(huán)系統(tǒng) 地下熱交換器控制系統(tǒng)土壤溫度隨深度變化示意圖土壤溫度隨深度變化示意圖1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12地源熱泵地源熱泵 普通空調系統(tǒng)普通空調系統(tǒng)對于制冷來說，地源熱泵與常規(guī)冷水機組最大的區(qū)別是：對于制冷來說，地源熱泵與常規(guī)冷水機組最大的區(qū)別是：空調系統(tǒng)的冷卻水冷卻變?yōu)榈叵滤蛲寥览鋮s。空調系統(tǒng)的冷卻水冷卻變?yōu)榈叵滤蛲寥览鋮s。制熱和生活熱水供應時，制熱和生活熱水供應時，地源熱泵系統(tǒng)可以替代鍋爐。地源熱泵系統(tǒng)可以替代鍋爐。地源熱泵系統(tǒng)的組成 室外地能換熱系統(tǒng)室外地能換熱系統(tǒng)土壤源土壤源地下水地下水地表水地表水 水源熱泵機組水源熱泵機組

2、室內采暖空調末端室內采暖空調末端什么是地源熱泵地源熱泵地源熱泵是一種利用地是一種利用地表或地下淺層地熱等低表或地下淺層地熱等低溫低位熱能資源，并采溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)的高位電能輸入，實現(xiàn)既能供熱又能制冷、低既能供熱又能制冷、低位熱能向高位熱能轉移位熱能向高位熱能轉移的一種技術。的一種技術。地下水換熱系統(tǒng)（ground water system） 與地下水進行熱交換的地熱能交換系統(tǒng)，分為直接地下與地下水進行熱交換的地熱能交換系統(tǒng)，分為直接地下水換熱系統(tǒng)和間接地下水換熱系統(tǒng)。水換熱系統(tǒng)和間接地下水換熱系統(tǒng)。投資最小、需回灌、有污垢直接地下

3、水換熱系統(tǒng) 由抽水井取出的地下水，經處理后直由抽水井取出的地下水，經處理后直接流經水源熱泵機組熱交換后返回地下同接流經水源熱泵機組熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統(tǒng)。一含水層的地下水換熱系統(tǒng)。 間接地下水換熱系統(tǒng) 由抽水井取出的地下水經中間換熱器由抽水井取出的地下水經中間換熱器熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統(tǒng)。熱系統(tǒng)。一、巖土熱物一、巖土熱物性性參數(shù)參數(shù) 巖土體類型、熱特性、熱傳導性、含水率、密度、溫度等是影響地埋管換熱巖土體類型、熱特性、熱傳導性、含水率、密度、溫度等是影響地埋管換熱系統(tǒng)性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的導熱性大

4、于水平方向系統(tǒng)性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的導熱性大于水平方向的導熱性，巖土的熱物性參數(shù)可參見表的導熱性，巖土的熱物性參數(shù)可參見表1。表1 巖土熱物性參數(shù)序號巖土名稱天然含水量密度導熱系數(shù)導溫系數(shù)比熱容(%)(kg/m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)1粉土16.315900.630.001291.112粉土22.919201.260.001581.53粉土26.921301.790.002641.154粉土25.318501.450.001781.595粉土2619301.610.002221.356粘性土26.319901.410.001641.567粘性土19

5、20001.20.001521.428粘性土29.820501.660.001711.719粘性土30.121101.630.001971.41序號巖土名稱天然含水量密度導熱系數(shù)導溫系數(shù)比熱容(%)(kg/m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)10粘性土2721701.550.001831.4111粘性土2920201.690.001841.6412粘性土31.421401.850.002231.413粘性土2020901.190.001361.5114細砂22.118001.60.002091.5315細砂11.115700.730.001651.0216細砂5.513100.6

6、40.00176117細砂814200.650.001960.8418細砂16.114600.860.00211.0119中砂714900.790.002010.9520中砂13.815101.060.002550.9921粗砂12.412601.060.002851.0622礫砂8.919501.410.002810.9323礫砂5.316001.040.00280.8424粗礫砂23.321301.880.002281.3925粗礫砂21.922001.750.001881.5226圓礫9.518601.440.003180.8827圓礫10.518300.940.001980.93表1

7、巖土熱物性參數(shù)C序號巖土名稱天然含水量密度導熱系數(shù)導溫系數(shù)比熱容(%)(kg/m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)28卵石+砂9.818401.620.003580.8929砂巖22501.840.00350.8430石灰?guī)r27003.140.00460.9131石灰?guī)r22501.280.002450.8432石灰?guī)r20001.160.002270.9233石灰?guī)r17000.930.002140.9234大理石+花崗巖30003.60.005170.8435大理石+花崗巖28003.450.004870.9136花崗巖27003.140.00460.9137石灰質凝灰?guī)r13000

8、.520.001570.9238灰質頁巖17600.830.001661.02表1 巖土熱物性參數(shù)C二、地埋管管材二、地埋管管材1. 地埋管管材及管件應符合設計要求，且應具有質量檢驗報告和出廠合地埋管管材及管件應符合設計要求，且應具有質量檢驗報告和出廠合格證。格證。2. 地埋管管材及管件應采用相同材料，且應具有化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕、地埋管管材及管件應采用相同材料，且應具有化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導熱系數(shù)大、流動阻力小等質量特性，一般采用高密度聚乙烯管導熱系數(shù)大、流動阻力小等質量特性，一般采用高密度聚乙烯管（PE80或或PE100）或聚丁烯管（）或聚丁烯管（PB），不宜采用聚氯乙烯（），不宜采用聚

9、氯乙烯（PVC）管。管。3. 地埋管質量應符合國家現(xiàn)行標準中的各項規(guī)定。聚乙烯管應符合地埋管質量應符合國家現(xiàn)行標準中的各項規(guī)定。聚乙烯管應符合給給水用聚乙烯（水用聚乙烯（PE）管材）管材GB/J13663的要求；聚丁烯管應符合的要求；聚丁烯管應符合冷熱冷熱水用聚丁烯（水用聚丁烯（PB）管道系統(tǒng)）管道系統(tǒng)GB/T194732的要求。管材的公稱壓力的要求。管材的公稱壓力及使用溫度應滿足設計要求，且管材的公稱壓力不宜小于及使用溫度應滿足設計要求，且管材的公稱壓力不宜小于1.0MPa。地埋管外徑及壁厚可按表地埋管外徑及壁厚可按表2、表、表3的規(guī)定選用。的規(guī)定選用。 公稱外徑dn平均外徑公稱壁厚/材料等

10、級最小最大公稱壓力1.0MPa1.25 MPa1.6MPa202020.3252525.32.3+0.5/PE80323232.33.0+0.5/PE803.0+0.5/PE100404040.43.7+0.6/PE803.7+0.6/PE100505050.54.6+0.7/PE804.6+0.7/PE100636363.64.7+0.8/PE804.7+0.8/PE1005.8+0.9/PE100757575.74.5+0.7/PE1005.6+0.9/PE1006.8+1.1/PE100909090.95.4+0.9/PE1006.7+1.1/PE1008.2+1.3/PE1001101

11、101116.6+1.1/PE1008.1+1.3/PE10010.0+1.5/PE100125125126.27.4+1.2/PE1009.2+1.4/PE10011.4+1.8/PE100140140141.38.3+1.3/PE10010.3+1.6/PE10012.7+2.0/PE100160160161.59.5+1.5/PE10011.8+1.8/PE10014.6+2.2/PE100180180181.710.7+1.7/PE10013.3+2.0/PE10016.4+3.2/PE100200200201.811.9+1.8/PE10014.7+2.3/PE10018.2+3.6

12、/PE100225225227.113.4+2.1/PE10016.6+3.3/PE10020.5+4.0/PE100250250252.314.8+2.3/PE10018.4+3.6/PE10022.7+4.5/PE100280280282.616.6+3.3/PE10020.6+4.1/PE10025.4+5.0/PE100315315317.918.7+3.7/PE10023.2+4.6/PE10028.6+5.7/PE100355355358.221.1+4.2/PE10026.1+5.2/PE10032.2+6.4/PE100400400403.623.7+4.7/PE10029.4

13、+5.8/PE10036.3+7.2/PE100表2 聚乙烯（PE）管外徑及公稱壁厚（mm）公稱外徑dn平均外徑公稱壁厚最小最大202020.31.9+0.3252525.32.3+0.4323232.32.9+0.4404040.43.7+0.55049.950.54.6+0.6636363.65.8+0.7757575.76.8+0.8909090.98.2+1.011011011110.0+1.1125125126.211.4+1.3140140141.312.7+1.4160160161.514.6+1.6表3 聚丁烯（PB）管外徑及公稱壁厚（mm）二、地埋管管材二、地埋管管材4. 埋

14、地管道應采用熱熔或電熔連接。聚乙烯管道的連接應符合國家現(xiàn)行埋地管道應采用熱熔或電熔連接。聚乙烯管道的連接應符合國家現(xiàn)行標準標準埋地聚乙烯給水管道工程技術規(guī)程埋地聚乙烯給水管道工程技術規(guī)程（CJJ101）的有關規(guī)定。）的有關規(guī)定。5. 地埋管宜根據設計中選用的管材長度由廠家成捆供貨，以減少埋管接地埋管宜根據設計中選用的管材長度由廠家成捆供貨，以減少埋管接頭數(shù)量。豎直地埋管頭數(shù)量。豎直地埋管U形管的組對長度應能滿足插入鉆孔后與水平環(huán)形管的組對長度應能滿足插入鉆孔后與水平環(huán)路集管連接的要求。組對好的路集管連接的要求。組對好的U形管的兩接頭部位應及時密封。形管的兩接頭部位應及時密封。6. 豎直地埋管換

15、熱器的豎直地埋管換熱器的U形管接頭，宜選用定型的形管接頭，宜選用定型的U形彎頭成品件，不形彎頭成品件，不宜采用直管道煨制彎頭，有條件時宜由生產廠家將彎頭或定型連接件宜采用直管道煨制彎頭，有條件時宜由生產廠家將彎頭或定型連接件與與U形管連接好，成套供貨。形管連接好，成套供貨。三、地埋管水力計算三、地埋管水力計算 1. 地埋管換熱系統(tǒng)設計時應根據實際選用的傳熱介質的水力特性進行水力地埋管換熱系統(tǒng)設計時應根據實際選用的傳熱介質的水力特性進行水力計算。國內目前塑料管的比摩阻均是以水為傳熱介質，對添加防凍劑的計算。國內目前塑料管的比摩阻均是以水為傳熱介質，對添加防凍劑的水溶液均無相應數(shù)據，水力計算時可按

16、水溶液均無相應數(shù)據，水力計算時可按地源熱泵工程技術指南地源熱泵工程技術指南（Ground-source heat pump engineering manual）推薦的方法進行。）推薦的方法進行。1) 確定管內流體的流量、公稱直徑和流體特性。2) 根據公稱直徑，確定地埋管的內徑。3) 計算地埋管的斷面面積： 式中 地埋管的斷面面積（ ）； 地埋管的內徑（m）。24jdAAjd2m三、地埋管水力計算三、地埋管水力計算4) 計算管內流體的流速: 式中 V 管內流體的流速（m/s）； G 管內流體的流量（ ）。5) 計算管內流體的雷諾數(shù)，應該大于2300以確保紊流： 式中 管內流體的雷諾數(shù)； 管內流

17、體的密度（ ）； 管內流體的動力黏度（ ）AGV3600jeVdR eRhm /33/mkg2/.msN三、地埋管水力計算三、地埋管水力計算6) 計算管段的沿程阻力 ： 式中 計算管段的沿程阻力（Pa）； 計算管段單位管長的沿程阻力（Pa/m）； 計算管段的長度（m）。7) 計算管段的局部阻力： 式中 計算管段的局部阻力（Pa）； 計算管段管件的當量長度（m）。 管件的當量長度可按表4計算。yP75. 125. 125. 075. 0158. 0VdPjdLPPdyyPdPLjdjLPPjPjL名義管徑彎頭的當量長度（m）T形三通的當量長度（m）90標準型90長半徑型45標準型180標準型旁流

18、三通直流三通直流三通后縮小1/4直流三通后縮小1/23/8DN100.40.30.20.70.80.30.40.41/2DN120.50.30.20.80.90.30.40.53/4DN200.60.40.311.20.40.60.61DN250.80.50.41.31.50.50.70.85/4DN3210.70.51.72.10.70.913/2DN401.20.80.61.92.40.81.11.22DN501.510.82.53.111.41.55/2DN631.81.313.13.71.31.71.83DN752.31.51.23.74.61.52.12.37/2DN902.71.8

19、1.44.65.51.82.42.74DN1103.121.65.26.422.73.15DN12542.526.47.62.53.746DN1604.93.12.47.69.23.14.34.98DN2006.143.110.112.245.56.1表4 管件當量長度表 三、地埋管水力計算三、地埋管水力計算8) 計算管段的總阻力 ： 式中 計算管段的總阻力（Pa）。2. 在相同管徑、相同流速下，雷諾數(shù)大小依次為：水、在相同管徑、相同流速下，雷諾數(shù)大小依次為：水、CaCl2水溶液、水溶液、乙二醇水溶液，其臨界流速比為：乙二醇水溶液，其臨界流速比為：1：2.12：2.45。為了保持管內的紊。為了

20、保持管內的紊流流動，流流動，CaCl2水溶液、乙二醇水溶液需采用比水大的流速和流量。水溶液、乙二醇水溶液需采用比水大的流速和流量。3. 在相同管徑、相同流速下，水的換熱系統(tǒng)最大，其大小依次為：水、在相同管徑、相同流速下，水的換熱系統(tǒng)最大，其大小依次為：水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關，其大水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關，其大小比值約為：小比值約為：1：0.470.62：0.410.56 zPjyzPPPzP三、地埋管水力計算三、地埋管水力計算4. 由于地埋管換熱器內傳熱介質的流動一般均在紊流或紊流光滑（過渡）由于地埋管換熱器內傳熱介質的流動一般均

21、在紊流或紊流光滑（過渡）區(qū)內，即區(qū)內，即2300Re 。在此范圍內，在相同管徑、相同流速下，。在此范圍內，在相同管徑、相同流速下，CaCl2水溶液、乙二醇水溶液管路沿程阻力為水的水溶液、乙二醇水溶液管路沿程阻力為水的1.44倍和倍和1.28倍。倍。5. 一般來說，地埋管換熱器的環(huán)路壓力損失宜控制在一般來說，地埋管換熱器的環(huán)路壓力損失宜控制在3050KPa/100m，最大不超過最大不超過50 KPa/100m。在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵。在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算。機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算。6. 地埋管最不利環(huán)路的壓力損失，

22、再加上熱泵機組、平衡閥和其它設備地埋管最不利環(huán)路的壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其它設備管件的壓力損失，并考慮一定的安全裕量，即可確定地埋管側循環(huán)水管件的壓力損失，并考慮一定的安全裕量，即可確定地埋管側循環(huán)水泵的揚程。根據系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號和泵的揚程。根據系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號和臺數(shù)。臺數(shù)。510四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求 1. 地埋管換熱器施工過程中，應嚴格檢查并做好管材保護工作。當室外地埋管換熱器施工過程中，應嚴格檢查并做好管材保護工作。當室外環(huán)境溫度低于環(huán)境溫度低于0時，不宜進行地埋管換熱器的施工。時，不宜

23、進行地埋管換熱器的施工。2. 地埋管換熱系統(tǒng)設計時應考慮地埋管換熱器的承壓能力，地埋管換熱地埋管換熱系統(tǒng)設計時應考慮地埋管換熱器的承壓能力，地埋管換熱器的承壓能力可按下式計算確定：器的承壓能力可按下式計算確定： 其中其中 管路最大壓力（Pa）； 地埋管中流體密度（ ）； 重力加速度（ ）； 地埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差(m)； 水泵揚程（m）。hPghPP5 . 00PghhP3/mkg2/sm四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求四、地埋管換熱系統(tǒng)的其他要求3. 若建筑物內系統(tǒng)壓力超過地埋管換熱器的承壓能力時，應設中間換熱若建筑物內系統(tǒng)壓力超過地埋管換熱器的承壓能力時，應設中間換熱器，以滿足地埋管換熱器的承壓要求。器，以滿足地埋管換熱器的承壓要求。4. 地埋管換熱器的傳熱介質一般為水，在有可能凍結的地區(qū)，應在水中地埋管換熱器的傳熱介質一般為水，在有可能凍結的地區(qū)，應在水中添加防凍劑。添加防