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。

　　6.5　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。

　　地源熱泵埋地換熱器設計方法

　　常規空調系統涉及到的能耗分析、負荷計算、系統方案優化選擇、技術經濟分析等內容就不再累述，但地源熱泵系統的設計必須從地下換熱系統、機房系統和末端系統整體考慮，進行合理的全面優化設計。

　　這里著重簡述地源熱泵埋地換熱器的設計方法：

　　1、資料收集

　　1.1.建筑物基礎資料的收集。包括能耗、負荷、功能、使用時間表、可用埋管面積、周圍各種水體情況、能源價格、業主的要求和需求等。

　　1.2.地質勘查，地質資料的收集。主要是土質和地下水情況。

　　1.3.如果采購有限制，還需要知道地源熱泵機組的參數，比如極端供回水溫度。

　　2、地源熱泵埋地換熱器的設計

　　2.1.初步確定一種埋地換熱器的形式。

　　--垂直式或水平式(各有5種以上形式，將結合案例

　　分析)

　　--串連式或并聯式(并聯采用較多)

　　2.2.確定埋管位置。

　　2.3.管材的確定。

　　--材料并掌握其各種參數(最好PE，或PB甚至PVC)

　　--尺寸(SDR11或13，SCH)

　　2.4.初步確定地下土壤的溫度(實測或根據工程經驗)。

　　2.5.初步確定地下土壤的最高和最低溫度(查手冊圖表或根據工程經驗)。

　　2.6.初步確定地下熱泵機組的最高和最低進水溫度(查手冊圖表并根據機組性能和工程經驗)。

　　2.7.初步確定地下土壤與地下換熱器之間的溫差(查手冊圖表或根據工程經驗)。

　　2.8.初步計算管道和循環介質換熱的熱阻(軟件計算、查手冊手算、或根據工程經驗)。

　　2.9.初步計算管道和土壤換熱的熱阻(軟件計算、查手冊圖表、并根據工程經驗)。

　　2.10.初步計算供熱和制冷流程因子(軟件計算、查手冊手算)。

　　2.11.初步計算埋地換熱器的管道長度(軟件計算、查手冊手算或根據工程經驗)。

　　2.12.對所有計算結果進行評估優化，進行調整(這個工作貫穿在設計的每一個步驟，可能隨時需要調整，逐步趨向最優。所以，嚴密科學的設計方法，豐富的工程經驗配合軟件可以事半功倍)。

　　2.13.確定埋地換熱器循環水泵和集分水器、排氣設施等附件。

　　3、地源熱泵埋地換熱器的安裝施工方案

　　地源熱泵系統的設計和施工的結合是非常嚴密的，邊設計邊施工，或者經常修改設計是非常常見的。美國的IGSHPA注冊安裝師往往是同時擔任一個項目的設計師和安裝技術指導。一套完整的設計方案應該包括詳細的施工安裝方案和預算。