地源热泵地埋管初步设计(洛阳宏图).doc

地埋管初步设计（洛阳宏图宾馆）
kyouli
1 概况
本工程夏季总冷负荷为613.0kW，冬季总热负荷为382.4kW。
选择贝莱特GSHP地源热泵机组系列GSHP310Ⅱ型2台，其性能参数如下：
制冷工况（夏季）：
制冷量310kW，电功率N=59kW，EER=5.1；
冷凝器进/出水温度：30℃/35℃;
蒸发器进/出水温度：12℃/7℃;
制热工况（冬季）：
制热量394kW，电功率N=88kW，COP=4.2；
冷凝器进水温度：40℃
蒸发器进水温度：15℃
蒸发器阻力45kPa,冷凝器阻力45kPa。
夏季总冷负荷 QL=613.0kW
冬季总热负荷 QR=382.4kW
循环水量： GL=0.86QL/△t=0.86*613.0/(12-7)=105.4m3/h
根据《实用供热空调设计手册（第二版）》式30.4.1和式30.4.2则：
（1）地埋管系统最大释热量：QL，max= QL×（1+1/EER）=613.0*（1+1/5.1）=773.2kW
（2）地埋管系统最大吸热量：QR，max= QR×（1- 1/COP）=382.4* (1-1/4.2)=291.4kW
2 地埋管换热器的设计
2.2 确定地埋管换热器的形式
根据洛阳地质及环境条件，确定采用竖埋管形式，设计单孔深度为100米, 孔管径Ф160mm,双“U ”型PE100埋管，管径Ф32mm.

图1 双“ U”型管联结方式

制冷量310kW，电功率N=59kW，EER=5.1
制热量394kW，电功率N=88kW，COP=4.2
根据《实用供热空调设计手册（第二版）》式30.4.15和式30.4.16，则：
空调侧水量：

地热侧水量：

2. 2 地下热交换器设计
2. 2. 1 确定埋管管长
地下热交换器长度的确定除了和系统布置形式及管材有关外，还需要有当地的土壤技术资料，如
地下温度、传热系数等。
在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70W/ m～110W/ m（ 井深），或35W/ m～55W/ m（管长），水平埋管为20W/ m～40W/ m（管长）左右，双U埋管换热量一般为单U埋管的1. 25～1. 3倍[陈捷.北京市某研发楼地源热泵空调系统设计]。
计算埋管长度，取换热能力值为45W/ m，通过公式：
L= QL，max× 1000/（q× 1. 25）
=773.2× 1000/（45× 1. 25）=13745.8m≈13750m
其中：L——双U埋管长度，m；
QL，max——夏季向土壤排放的热量，kW;
q——单位管长的换热量,W/m.
2. 2. 2 确定竖井数目及间距
国外竖井深度多数采用50m～100m[，本工程竖井深度定为100m，通过公式计算可得：
N=L/（2× H）=13750/（2× 100）=68.85≈70个
其中：N——竖井个数，个；
L——双U埋管长度，m；
H——竖井深度，m。
根据《地源热泵系统工程技术规范》4. 3. 8 条，竖井钻孔间距应满足换需求，间距宜为3m～6m，根据本工程地形地貌以及管路水利平衡，确定钻孔间距为5m，布置3 对供回水集管，每对集管对应24 个φ 160mm的孔，共计72个孔。

3 地下侧水力计算
地埋管换热器管内的介质，应保持为紊流流动状态（Re>2300）；通常，管内介质的流速v宜采用：单U型管v≥0.6m/s；双U型管v≥0.4m/s。水平环路集管的坡度，不应小于2‰。[《实用供热空调设计手册（第二版）》]
管径选取及水力计算在实际工程中确定管径必须满足两个要求： ①管道要大到足够保持最小输送功率；②管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控在1. 22m/ s 以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2. 44m/ s 以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下。
(1) 确定地热管接管方式为同程式并联管，地下换热器管内流速为：
V=126.9/[72*2*3600*(3.14*0.013^2)]=0.46m/s
满足紊流状态。
本工程从总地源侧分、集水器中分出3对DN100 的供回水管，在经下一级的分、集管再分出6 对DN50 的供回水管，连接埋入竖井的DN32双U管。
每个U管内流量g=Gd/(2*N)=126.9/(2*72)=0.88m3/h
查《实用供热空调设计手册（第二版）》聚乙烯塑料管的单位长度摩擦压力损失表（表30.4-9），并采用局部阻力当量长度法计算局部阻力，计算室外地埋管最不利环路如下：
序号
流量(m^3/h)
管径(mm)
管长(m)
ν(m/s)
R(Pa/m)
△Py(Pa)
局阻当量长度（m）
△Pj(Pa)
△Py+△Pj(Pa)
1
0.88
32
200
0.46
145
29000
1.7+2.1=3.8
551
29551
注：180°标准弯头当量长度（φ32）为1.7m，旁流三通当量长度（φ32）为2.1m。
室内管水力计算
采用流速法计算，取《实用供热空调设计手册（第二版）》表26.5-11中流速推荐值，如下，
冷却水管道水流速度推荐值
循环干管（mm）
DN≤250
250<DN<500
DN≥500
推荐流速（m/s）
1.5～2.0
2.0～2.5
2.5～3.0

室内冷却管水力计算表
序号
流量(m^3/h)
管径
管长(m)
ν(m/s)
R(Pa/m)
△Py(Pa)
ξ
动压(Pa)
△Pj(Pa)
△Py+△Pj(Pa)
1
126.9
DN150
20
1.844
233.0
4660.9
10.0
1690.9
16909.3
21570.2
2
42.3
DN100
10
1.331
199.6
1996.1
10.0
881.4
8813.7
10809.8
小计

30

6657.0
10.0

25723.0
32380.0

选择地源侧管路中的最不利环路，计算其压力损失作为选取地源侧水泵扬程的依据。
PZ=PW+PN=29.6+(45+2*32.4)=139.4kPa
其中：PZ——最不利环路总压力损失，kPa；
Pw——最不利环路室外埋管压力损失，kPa；
PN——最不利环路室内管路压力损失（包括热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、阀门和其他设备元件的压力损失等），MPa。
因此水泵扬程设计值为：H=PZ× 1. 1=139.4kPa× 1. 1=153.3kPa=15.4mH2O
选用两台泵，则水泵流量G=1.1×Gd/2=1.1×126.9/2=69.8m3/h
3. 2管道的承压
管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压
力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[ 5]，即：
P=PO+ρ gh+0. 5Ph
其中：P—— 管路最大压力，Pa；
Po——建筑物所在的当地大气压，Pa；
ρ ——地下埋管中流体密度，kg/ m3；
g——当地重力加速度，m/ s 2；
h——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m；
Ph——水泵扬程，Pa。
该工程地源侧为闭式定压系统，采用自动补水定压泵为系统补水定压，膨胀水箱定压值为0. 25MPa。因此管道的承压为：
P=PO+ρ gh+0. 5Ph
=0. 25+1000× 9. 8× 100/ 10^6+0. 5× 0. 153=1. 307MPa
上式中的PO此时为膨胀水箱定压值。
3. 3 选择管材
地源热泵系统一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50 年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。根据上述计算的管路最大压力为1. 307MPa，参考《地源热泵系统工程技术规范》附录A，选择承压能力为1. 60MPa 的聚乙烯（PE100）管材。

参考文献
[1] 施春燕. 地源热泵空调在某地下商业建筑中的设计应用[J].制冷与空调.2009，30:27-31
[2] 郭二宝，宣玲娟，李岚. 土壤源热泵在合肥某工程中的应用 [J].制冷技术.2009,37（11）:70-74
[3] 陈捷，王松. 北京市某研发楼地源热泵空调系统设计[J].广西城镇建设.2008,05:89-91