地源热泵设计(地埋管).ppt

地源热泵设计地源热泵设计(地埋管地埋管)地源热泵系统的组成地源热泵机组水循环系统 地下热交换器控制系统土壤温度随深度变化示意图土壤温度随深度变化示意图月份月份月份月份0 010102020303040400 040408080120120160160200200240240280280320320360360地地地地 表表表表2 FT2 FT（0.6m)0.6m)5 FT(1.5m)5 FT(1.5m)12 FT(3.6m)12 FT(3.6m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12天数天数天数天数地源热泵地源热泵 普通空调系统普通空调系统对于制冷来说，地源热泵与常规冷水机组最大的区别是：对于制冷来说，地源热泵与常规冷水机组最大的区别是：空调系统的冷却水冷却变为地下水或土壤冷却。空调系统的冷却水冷却变为地下水或土壤冷却。制热和生活热水供应时，制热和生活热水供应时，地源热泵系统可以替代锅炉。地源热泵系统可以替代锅炉。地源热泵系统的组成 室外地能换热系统室外地能换热系统土壤源土壤源地下水地下水地表水地表水 水源热泵机组水源热泵机组 室内采暖空调末端室内采暖空调末端大家应该也有点累了，稍作休息大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流什么是地源热泵地源热泵是一种利用地地源热泵是一种利用地表或地下浅层地热等低表或地下浅层地热等低温低位热能资源，并采温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现的高位电能输入，实现既能供热又能制冷、低既能供热又能制冷、低位热能向高位热能转移位热能向高位热能转移的一种技术。的一种技术。地下水换热系统（ground water system）与地下水进行热交换的地热能交换系统，分为直接地下与地下水进行热交换的地热能交换系统，分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统。水换热系统和间接地下水换热系统。投资最小、需回灌、有污垢直接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水，经处理后直由抽水井取出的地下水，经处理后直接流经水源热泵机组热交换后返回地下同接流经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。一含水层的地下水换热系统。间接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水经中间换热器由抽水井取出的地下水经中间换热器热交换后返回地下同一含水层的地下水换热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。热系统。一、岩土热物一、岩土热物性性参数参数 岩土体类型、热特性、热传导性、含水率、密度、温度等是影响地埋管换热岩土体类型、热特性、热传导性、含水率、密度、温度等是影响地埋管换热系统性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的导热性大于水平方向系统性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的导热性大于水平方向的导热性，岩土的热物性参数可参见表的导热性，岩土的热物性参数可参见表1。表1 岩土热物性参数序号岩土名称天然含水量密度导热系数导温系数比热容(%)(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1920001.20.001521.428粘性土29.820501.660.001711.719粘性土30.121101.630.001971.41导热系数比热容序号岩土名称天然含水量密度导热系数导温系数比热容(%)(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细砂22.118001.60.002091.5315细砂11.115700.730.001651.0216细砂5.513100.640.00176117细砂814200.650.001960.8418细砂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砾砂8.919501.410.002810.9323砾砂5.316001.040.00280.8424粗砾砂23.321301.880.002281.3925粗砾砂21.922001.750.001881.5226圆砾9.518601.440.003180.8827圆砾10.518300.940.001980.93表1 岩土热物性参数序号岩土名称天然含水量密度导热系数导温系数比热容(%)(kg/m3)(W/m.K)(m2/h)(kJ/kg.K)28卵石+砂9.818401.620.003580.8929砂岩22501.840.00350.8430石灰岩27003.140.00460.9131石灰岩22501.280.002450.8432石灰岩20001.160.002270.9233石灰岩17000.930.002140.9234大理石+花岗岩30003.60.005170.8435大理石+花岗岩28003.450.004870.9136花岗岩27003.140.00460.9137石灰质凝灰岩13000.520.001570.9238灰质页岩17600.830.001661.02表1 岩土热物性参数二、地埋管管材二、地埋管管材1.地埋管管材及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和出厂合地埋管管材及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和出厂合格证。格证。2.地埋管管材及管件应采用相同材料，且应具有化学稳定性好、耐腐蚀、地埋管管材及管件应采用相同材料，且应具有化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小等质量特性，一般采用高密度聚乙烯管导热系数大、流动阻力小等质量特性，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（），不宜采用聚氯乙烯（PVC）管。管。3.地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。聚乙烯管应符合地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。聚乙烯管应符合给给水用聚乙烯（水用聚乙烯（PE）管材）管材GB/J13663的要求；聚丁烯管应符合的要求；聚丁烯管应符合冷热冷热水用聚丁烯（水用聚丁烯（PB）管道系统）管道系统GB/T194732的要求。管材的公称压力的要求。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不宜小于及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不宜小于1.0MPa。地埋管外径及壁厚可按表地埋管外径及壁厚可按表2、表、表3的规定选用。的规定选用。公称外径dn平均外径公称壁厚/材料等级最小最大公称压力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/PE1001101101116.6+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/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+5.8/PE10036.3+7.2/PE100表2 聚乙烯（PE）管外径及公称壁厚（mm）公称外径dn平均外径公称壁厚最小最大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）管外径及公称壁厚（mm）二、地埋管管材二、地埋管管材4.埋地管道应采用热熔或电熔连接。聚乙烯管道的连接应符合国家现行埋地管道应采用热熔或电熔连接。聚乙烯管道的连接应符合国家现行标准标准埋地聚乙烯给水管道工程技术规程埋地聚乙烯给水管道工程技术规程（CJJ101）的有关规定。）的有关规定。5.地埋管宜根据设计中选用的管材长度由厂家成捆供货，以减少埋管接地埋管宜根据设计中选用的管材长度由厂家成捆供货，以减少埋管接头数量。竖直地埋管头数量。竖直地埋管U形管的组对长度应能满足插入钻孔后与水平环形管的组对长度应能满足插入钻孔后与水平环路集管连接的要求。组对好的路集管连接的要求。组对好的U形管的两接头部位应及时密封。形管的两接头部位应及时密封。6.竖直地埋管换热器的竖直地埋管换热器的U形管接头，宜选用定型的形管接头，宜选用定型的U形弯头成品件不形弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头，有条件时宜由生产厂家将弯头或定型连接件宜采用直管道煨制弯头，有条件时宜由生产厂家将弯头或定型连接件与与U形管连接好，成套供货。形管连接好，成套供货。三、地埋管水力计算三、地埋管水力计算 1.地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力计算。国内目前塑料管的比摩阻均是以水为传热介质，对添加防冻剂的计算。国内目前塑料管的比摩阻均是以水为传热介质，对添加防冻剂的水溶液均无相应数据，水力计算时可按水溶液均无相应数据，水力计算时可按地源热泵工程技术指南地源热泵工程技术指南（Ground-source heat pump engineering manual）推荐的方法进行。）推荐的方法进行。1)确定管内流体的流量、公称直径和流体特性。2)根据公称直径，确定地埋管的内径。3)计算地埋管的断面面积：式中 地埋管的断面面积（）；地埋管的内径（m）。三、地埋管水力计算三、地埋管水力计算4)计算管内流体的流速:式中 V 管内流体的流速（m/s）；G 管内流体的流量（）。5)计算管内流体的雷诺数，应该大于2300以确保紊流：式中 管内流体的雷诺数；管内流体的密度（）；管内流体的动力黏度（）三、地埋管水力计算三、地埋管水力计算6)计算管段的沿程阻力 ：式中 计算管段的沿程阻力（Pa）；计算管段单位管长的沿程阻力（Pa/m）；计算管段的长度（m）。7)计算管段的局部阻力：式中 计算管段的局部阻力（Pa）；计算管段管件的当量长度（m）。管件的当量长度可按表4计算。名义管径弯头的当量长度（m）T形三通的当量长度（m）90标准型90长半径型45标准型180标准型旁流三通直流三通直流三通后缩小1/4直流三通后缩小1/23/8DN100.40.30.20.70.80.30.40.41/2DN120.50.30.20.80.90.30.40.53/4DN200.60.40.311.20.40.60.61DN250.80.50.41.31.50.50.70.85/4DN3210.70.5172.10.70.913/2DN401.20.80.61.92.40.81.11.22DN501.510.82.53.111.41.55/2DN631.81.313.13.71.31.71.83DN752.31.51.23.74.61.52.12.37/2DN902.71.81.44.65.51.82.42.74DN1103.121.65.26.422.73.15DN12542.526.47.62.53.746DN1604.93.12.47.69.23.14.34.98DN2006.143.110.112.245.56.1表4 管件当量长度表 三、地埋管水力计算三、地埋管水力计算8)计算管段的总阻力 ：式中 计算管段的总阻力（Pa）。2.在相同管径、相同流速下，雷诺数大小依次为：水、在相同管径、相同流速下，雷诺数大小依次为：水、CaCl2水溶液、水溶液、乙二醇水溶液，其临界流速比为：乙二醇水溶液，其临界流速比为：1：2.12：2.45。为了保持管内的紊。为了保持管内的紊流流动，流流动，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.在相同管径、相同流速下，水的换热系统最大，其大小依次为：水、在相同管径、相同流速下，水的换热系统最大，其大小依次为：水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具体比值与管径和流速有关，其大水溶液、乙二醇水溶液，其具体比值与管径和流速有关，其大小比值约为：小比值约为：1：0.470.62：0.410.56 三、地埋管水力计算三、地埋管水力计算4.由于地埋管换热器内传热介质的流动一般均在紊流或紊流光滑（过渡）由于地埋管换热器内传热介质的流动一般均在紊流或紊流光滑（过渡）区内，即区内，即2300Re 。在此范围内，在相同管径、相同流速下，。在此范围内，在相同管径、相同流速下，CaCl2水溶液、乙二醇水溶液管路沿程阻力为水的水溶液、乙二醇水溶液管路沿程阻力为水的1.44倍和倍和1.28倍。倍。5.一般来说，地埋管换热器的环路压力损失宜控制在一般来说，地埋管换热器的环路压力损失宜控制在3050KPa/100m，最大不超过，最大不超过50 KPa/100m。在同程系统中，选择压力损失最大的热。在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。6.地埋管最不利环路的压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其它设备地埋管最不利环路的压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其它设备管件的压力损失，并考虑一定的安全裕量，即可确定地埋管侧循环水管件的压力损失，并考虑一定的安全裕量，即可确定地埋管侧循环水泵的扬程。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号和泵的扬程。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号和台数。台数。四、地埋管换热系统的其他要求四、地埋管换热系统的其他要求 1.地埋管换热器施工过程中，应严格检查并做好管材保护工作。当室外地埋管换热器施工过程中，应严格检查并做好管材保护工作。当室外环境温度低于环境温度低于0时，不宜进行地埋管换热器的施工。时，不宜进行地埋管换热器的施工。2.地埋管换热系统设计时应考虑地埋管换热器的承压能力，地埋管换热地埋管换热系统设计时应考虑地埋管换热器的承压能力，地埋管换热器的承压能力可按下式计算确定：器的承压能力可按下式计算确定：其中其中 管路最大压力（Pa）；地埋管中流体密度（）；重力加速度（）；地埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差(m)；水泵扬程（m）。四、地埋管换热系统的其他要求四、地埋管换热系统的其他要求3.若建筑物内系统压力超过地埋管换热器的承压能力时，应设中间换热若建筑物内系统压力超过地埋管换热器的承压能力时，应设中间换热器，以满足地埋管换热器的承压要求。器，以满足地埋管换热器的承压要求。4.地埋管换热器的传热介质一般为水，在有可能冻结的地区，应在水中地埋管换热器的传热介质一般为水，在有可能冻结的地区，应在水中添加防冻剂。添加防冻剂后的传热介质的冰点宜比设计最低运行水温添加防冻剂。添加防冻剂后的传热介质的冰点宜比设计最低运行水温低低35，以防止管路结冰。，以防止管路结冰。5.选择防冻剂时，应同时考虑防冻剂对管材与管件的腐蚀性，防冻剂的选择防冻剂时，应同时考虑防冻剂对管材与管件的腐蚀性，防冻剂的安全性、经济性及其换热特性。目前应用较多的防冻剂主要有：安全性、经济性及其换热特性。目前应用较多的防冻剂主要有：1)盐类溶液：氯化钙和氯化钠水溶液；2)乙二醇水溶液：乙烯基乙二醇和丙烯基乙二醇水溶液；3)酒精水溶液：甲醇、异丙基、乙醛水溶液；4)钾盐水溶液：醋酸钾和碳酸钾水溶液。四、地埋管换热系统的其他要求四、地埋管换热系统的其他要求6.添加的防冻剂的类型、浓度及有效期应在水系统充注阀处注明。添加的防冻剂的类型、浓度及有效期应在水系统充注阀处注明。7.地埋管换热系统应设自动充液及泄漏报警系统。一般应在分水器或集地埋管换热系统应设自动充液及泄漏报警系统。一般应在分水器或集水器上预留充液管，在系统循环回路上设开式膨胀水箱或闭式稳压灌，水器上预留充液管，在系统循环回路上设开式膨胀水箱或闭式稳压灌，安装压力表、温度计、流量计等基本仪器。安装压力表、温度计、流量计等基本仪器。8.地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。地埋管换热系统宜设置地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。地埋管换热系统宜设置反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的2倍。倍。9.地埋管换热系统施工及调试过程中，应按地埋管换热系统施工及调试过程中，应按地源热泵系统工程技术规地源热泵系统工程技术规范范（GB50366-2005）的要求进行水压试验，水压试验应有详细文）的要求进行水压试验，水压试验应有详细文字记录。字记录。分散式吊顶安装分散式吊顶安装无需机房无需机房