地源熱泵埋管系統的管徑選擇及水力和換熱計算

　　1.管徑的選擇原則

　　在選擇和設計管徑時應考慮如下問題：

　　①從運行費上考慮管徑越大越好，以降低泵的輸送功率，減少平時的運行費;②從初投資上考慮管徑不能太大，必須保證管內流體處于紊流區(Re≥2100)，以增加流體與塑料管壁的換熱系數;③系統環路長度不要太長;④不同的流體對阻力和換熱都有影響，因此選擇管徑時應特別加以注意。

　　綜合考慮，推薦采用薄壁小管徑管子，并聯布置方案。

　　2.埋管內工作流體

　　在國內南方地區，由于地溫高，冬季地下埋管進水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體;北方地區，冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低于0℃，因此一般均需使用防凍液。防凍液一般應具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長等特點。目前應用較多的有：①鹽類溶液――氯化鈣和氯化鈉水溶液;②乙二醇水溶液;③酒精水溶液等。

　　一般來說，鹽溶液具有安全、無毒、無污染、導熱性能好、價格低、使用壽命長等優點，其缺點是系統有空氣存在時，對大部分金屬具有腐蝕性。在正確選用管材、部件和系統內空氣被排除干凈的情況下，鹽溶液是一種很好的防凍液。

　　乙二醇水溶液相對安全、無腐蝕性，具有較好的導熱性能，價格適中，但使用壽命有限，且有毒。

　　酒精水溶液具有無腐蝕性、較好的導熱性、價格適中、使用壽命長等優點，缺點是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前應用水將其稀釋，以降低其爆炸的可能性，由于其無腐蝕性，作為防凍液很受歡迎。

　　3.最小管內流速(流量)

　　臨界雷諾數

　　2 000為紊流，Re<2 000為層流。根據Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4　Vk　 600的計算公式，可求出上述三種流體在不同管徑下的最小流速，即最小流量。

　　上述公式中符號，Re――雷諾數;V、Vk――流速;臨界流速，m/s;Qk――臨界流量，m3/h;di――管內徑，m;ν――運動粘帶性系數，m2/s。

　　在相同管徑、相同流速下，其雷諾數大小依次為水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說明采用CaCl2和乙二醇水溶液時，為了保證管內的紊流流動，與水相比需采用大的流速和流量。

　　4.不同流體管內換熱系數aw (w/m2•k)計算

　　當Re>104時，其流體側換熱系數aw可用下式計算，即：

　　aw=β=0.021(1)

　　當2 100

　　上面公式中符號意義、單位同前。從表中看出在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數最大。其大小排序為水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關，其大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

　　管路沿程阻力hf(kPa/100m)計算

　　計算公式為：

　　hf=λ=λ(2)

　　式中：λ――沿程摩擦阻力系數;L――管長度，m。

　　由于地下埋管換熱器內流動一般均在紊流或紊流光滑(過渡)區內，即2 100

　　幾種流體在不同流速、不同管徑下的hf見表3。從表3看出，在相同管徑、相同流量下，CaCl2水溶液的hf為水的1.44倍;乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。

　　5.有關水流量和壓力損失的推薦值

　　①地下埋管換熱器環路壓力損失限制在30～50kPa/100m為好，最大不超過50kPa/100m。

　　②地下埋管系統單位冷噸(1冷噸=3024kcal/h=3.52kW)水流量控制在0.16～0.19L/s•t(0.045～0.054L/s•kW或2.7～3.24L/min•kW)為好，大于0.19L/s•t(3.24L/min•kW)，泵的消耗功率顯著上升。

　　③循環水泵消耗功率P與熱泵容量名義冷噸之比控制在50～75W/熱泵能力冷噸(14.2～21.3W/kW)為好。

　　④不同管徑下的埋管深度及最小鉆孔孔徑推薦值見表7。