2013年公用设备工程师考试暖通空调知识点(5)

　　地源热泵埋管系统的管径选择及水力和换热计算

　　1　管径的选择原则

　　在选择和设计管径时应考虑如下问题：

　　①从运行费上考虑管径越大越好，以降低泵的输送功率，减少平时的运行费;②从初投资上考虑管径不能太大，必须保证管内流体处于紊流区(Re≥2100)，以增加流体与塑料管壁的换热系数;③系统环路长度不要太长;④不同的流体对阻力和换热都有影响，因此选择管径时应特别加以注意。

　　综合考虑，推荐采用薄壁小管径管子，并联布置方案。

　　2　埋管内工作流体

　　在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体;北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：①盐类溶液――氯化钙和氯化钠水溶液;②乙二醇水溶液;③酒精水溶液等。

　　一般来说，盐溶液具有安全、无毒、无污染、导热性能好、价格低、使用寿命长等优点，其缺点是系统有空气存在时，对大部分金属具有腐蚀性。在正确选用管材、部件和系统内空气被排除干净的情况下，盐溶液是一种很好的防冻液。

　　乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性，具有较好的导热性能，价格适中，但使用寿命有限，且有毒。

　　酒精水溶液具有无腐蚀性、较好的导热性、价格适中、使用寿命长等优点，缺点是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前应用水将其稀释，以降低其爆炸的可能性，由于其无腐蚀性，作为防冻液很受欢迎。

　　3　最小管内流速(流量)

　　临界雷诺数

　　2 000为紊流，Re<2 000为层流。根据Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4　Vk　 600的计算公式，可求出上述三种流体在不同管径下的最小流速，即最小流量。

　　上述公式中符号，Re――雷诺数;V、Vk――流速;临界流速，m/s;Qk――临界流量，m3/h;di――管内径，m;ν――运动粘带性系数，m2/s。

　　在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。

　　4　不同流体管内换热系数aw (w/m2•k)计算

　　当Re>104时，其流体侧换热系数aw可用下式计算，即：

　　aw=β=0.021(1)

　　当2 100

　　上面公式中符号意义、单位同前。从表中看出在相同流速、相同管径下，水的换热系数最大。其大小排序为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具体比值与管径和流速有关，其大小比值为1：0.47～0.62：0.41～0.56。

　　6.5　管路沿程阻力hf(kPa/100m)计算

　　计算公式为：

　　hf=λ=λ(2)

　　式中：λ――沿程摩擦阻力系数;L――管长度，m。

　　由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑(过渡)区内，即2 100

　　几种流体在不同流速、不同管径下的hf见表3。从表3看出，在相同管径、相同流量下，CaCl2水溶液的hf为水的1.44倍;乙二醇水溶液的hf为水的1.28倍。

　　5　有关水流量和压力损失的推荐值

　　①地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。

　　②地下埋管系统单位冷吨(1冷吨=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)为好，大于0.19L/s•t(3.24L/min•kW)，泵的消耗功率显著上升。

　　③循环水泵消耗功率P与热泵容量名义冷吨之比控制在50～75W/热泵能力冷吨(14.2～21.3W/kW)为好。

　　④不同管径下的埋管深度及最小钻孔孔径推荐值见表7。

　　地源热泵埋地换热器设计方法

　　常规空调系统涉及到的能耗分析、负荷计算、系统方案优化选择、技术经济分析等内容就不再累述，但地源热泵系统的设计必须从地下换热系统、机房系统和末端系统整体考虑，进行合理的全面优化设计。

　　这里着重简述地源热泵埋地换热器的设计方法：

　　1、资料收集

　　1.1.建筑物基础资料的收集。包括能耗、负荷、功能、使用时间表、可用埋管面积、周围各种水体情况、能源价格、业主的要求和需求等。

　　1.2.地质勘查，地质资料的收集。主要是土质和地下水情况。

　　1.3.如果采购有限制，还需要知道地源热泵机组的参数，比如极端供回水温度。

　　2、地源热泵埋地换热器的设计

　　2.1.初步确定一种埋地换热器的形式。

　　--垂直式或水平式(各有5种以上形式，将结合案例

　　分析)

　　--串连式或并联式(并联采用较多)

　　2.2.确定埋管位置。

　　2.3.管材的确定。

　　--材料并掌握其各种参数(最好PE，或PB甚至PVC)

　　--尺寸(SDR11或13，SCH)

　　2.4.初步确定地下土壤的温度(实测或根据工程经验)。

　　2.5.初步确定地下土壤的最高和最低温度(查手册图表或根据工程经验)。

　　2.6.初步确定地下热泵机组的最高和最低进水温度(查手册图表并根据机组性能和工程经验)。

　　2.7.初步确定地下土壤与地下换热器之间的温差(查手册图表或根据工程经验)。

　　2.8.初步计算管道和循环介质换热的热阻(软件计算、查手册手算、或根据工程经验)。

　　2.9.初步计算管道和土壤换热的热阻(软件计算、查手册图表、并根据工程经验)。

　　2.10.初步计算供热和制冷流程因子(软件计算、查手册手算)。

　　2.11.初步计算埋地换热器的管道长度(软件计算、查手册手算或根据工程经验)。

　　2.12.对所有计算结果进行评估优化，进行调整(这个工作贯穿在设计的每一个步骤，可能随时需要调整，逐步趋向最优。所以，严密科学的设计方法，丰富的工程经验配合软件可以事半功倍)。

　　2.13.确定埋地换热器循环水泵和集分水器、排气设施等附件。

　　3、地源热泵埋地换热器的安装施工方案

　　地源热泵系统的设计和施工的结合是非常严密的，边设计边施工，或者经常修改设计是非常常见的。美国的IGSHPA注册安装师往往是同时担任一个项目的设计师和安装技术指导。一套完整的设计方案应该包括详细的施工安装方案和预算。