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地源熱泵的埋管設(shè)計方法
地源熱泵的埋管
1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟
?。?)建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算建筑物冷熱負(fù)荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算方法相同,可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊,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)計總冷負(fù)荷,kW
Q2'——冬季從土壤吸收的熱量,kW
Q2——冬季設(shè)計總熱負(fù)荷,kW
COP1——設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)
COP2——設(shè)計工況下水源熱泵機(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),計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的 COP1、COP2 .若樣本中無所需的設(shè)計工況,可以采用插值法計算。
?。?)地下熱交換器設(shè)計這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容,主要包括地下熱交換器形式及管材選擇,管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定,管道阻力計算及水泵選型等。
?。?)其它
2 地下熱交換器設(shè)計
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)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費用,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:
?。?)U型管
?。?)套管型
?。?)單管型。
套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時存在熱損失。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,管道費用較高,并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時,其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,實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 確定管徑在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求:
?。?)管道要大到足夠保持最小輸送功率;
?。?)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)量長度以下。
2.4 確定豎井埋管管長地下熱交換器長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]介紹了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣,并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實際工程中,可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量,一般垂直埋管為70~110W/m(井深),或35~55W/m(管長),水平埋管為20~40W/m(管長)左右[3].
設(shè)計時可取換熱能力的下限值,即35W/m(管長),具體計算公式如下:
?。?) 其中 Q1'——豎井埋管總長,m
L ——夏季向土壤排放的熱量,kW
分母“35”是夏季每m管長散熱量,W/m
2.5 確定豎井?dāng)?shù)目及間距國外,豎井深度多數(shù)采用 50~100m,設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H,代入下式計算豎井?dāng)?shù)目:
?。?) 其中 N——豎井總數(shù),個
L——豎井埋管總長,m
H——豎井深度,m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結(jié)果進(jìn)行圓整,若計算結(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節(jié)約占地面積。
2.6 計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)行阻力計算。可采用當(dāng)量長度法,將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度,和管道實際長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)在我國長江流域及其周圍地區(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)計時大致可以遵循以下原則:
?。?)若建筑物周圍可利用地表面積充足,應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式;相反,若建筑物周圍可利用地表面積有限,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,初投資及運行費用均較低,所以在實際工程中常用,且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡,最好設(shè)計成同程式。
?。?)選擇管徑時,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)量長度)以下,同時應(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(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)
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