暖通工程師關(guān)于地源熱泵的埋管知識

地埋管地源熱泵技術(shù)是利用循環(huán)水在地埋管內(nèi)的循環(huán)流動，進行和土壤換熱的新技術(shù)。由于其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢正在我國得到迅速推廣應(yīng)用;而應(yīng)用這一新技術(shù)的障礙之一是它的初投資較傳統(tǒng)的供熱空調(diào)系統(tǒng)偏高，其中地埋管換熱器的投資通常可占整個空調(diào)系統(tǒng)初投資的1/3—1/2，而鉆孔的成本又是地埋管換熱器總投資的主要組成部分。因此，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計地埋管換熱器對于推廣地源熱泵技術(shù)，特別是對于大中型的項目，有著特別重要的意義。

一、地下?lián)Q熱器設(shè)計

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。

1.地下熱交換器設(shè)計

由于各地的地質(zhì)條件差異很大，進行地埋管設(shè)計的時候，一定要先進行熱物性試驗，確定實際換熱量，然后再進行設(shè)計?！兜卦礋岜靡?guī)范》明確規(guī)定了設(shè)計地埋管的要求，5000㎡以下的工程需要1口試驗井，5000㎡以上的至少要2口試驗井，都是為了準(zhǔn)確的計算地埋管換熱器的實際需要。

2. 選擇熱交換器形式

2.1 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：(1)U型管(2)套管型(3)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. 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。

3. 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)。

4. 確定管徑

在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：(1)管道要大到足夠保持最小輸送功率;(2)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。

5. 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。

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。

然后對計算結(jié)果進行調(diào)整整，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，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。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。

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組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯?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。

二、得到結(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：

( 1)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。

( 3)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)。

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