10 地下埋管设计与计算
10.1 确定地下换热器的埋管形式
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计,地下换热器设计是整个设计的重点，也是本系统有别于其他系统之所在。地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，将关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用及系统运行的经济性[16]。
目前地源热泵地下埋管换热器的埋管形式主要有两种，竖直埋管和水平埋管。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境,选用哪种方式主要取决于场地大小，当地岩土类型及挖掘成本。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场地大，浅埋水平管受地面温度影响大，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少[33]。而且对垂直埋管系统, 在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好 ,所以这里准备采用垂直埋管系统。在各种竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单U型管[12]。
所以，本次设计采用的是竖直单U型管地下换热器。同时，为保持各环路之间的水力平衡,采用同程式系统。
10.2 确定管路连接方式
地下换热器管路连接方式有串联和并联两种。采用何种方式，主要取决于安装成本及运行费用。对竖直埋管系统，并联方式的初投资及运行费均较经济。故本设计的地下换热器采用U型管并联系统。
10.3 选择地下换热器管材及竖埋管直径
选择管子直径大小时应从两方面考虑：管径大，能减少循环泵能耗。管径小，能使管内流体处于紊流区，这样流体与管内壁间的换热效果好。目前国外广泛采用高密度聚乙烯作为地下换热器的管材,管径(内径) 通常为20～40 mm,而国内大多采用国产高密度聚乙烯管材。本设计中地下埋管均采用国产HDPE高密度聚乙烯管材，竖埋管选用管径为DN20的管道[14]。
10.3.1钻孔数目的确定
地下换热器的长度与地质、地温参数及进入热泵机组的水温有关。在缺乏具体数据时,可
第 31 页 共 44 页
依据国内外实际工程经验,按每m 管长换热量35～55 W来确定,参考武汉一些实际工程,取单位管长换热量为38 W/ m ,则地下换热器所需长度L 为:
l?Q1q ＝10650m
按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）,对竖直U型管，一般为中埋，若取埋深为60m,则需打90个圆孔。对于竖埋管，考虑一定的水平间距，尽量减少各埋管单元之间温度场的相互影响。短时间和间歇运行的换热管间距为1．5m较适合，长时间连续运行的间距为3m较适合，所以这里取孔间距为3m，采用钻孔过程产生的泥浆回填。
10.3.2 地下换热器阻力计算
图10-1 地下埋管示意图
由上图可知，其为同程式布管，故取其中一个环路计算即可。所取环路如下：
图10-2 地下埋管示意图环路
地下换热器阻力包括沿程阻力和局部阻力。埋管进出口集管采用直径较大的管子,流速大
第 32 页 共 44 页
小按以下原则选取:对于内径小于50 mm 的管子,管内流速应在0. 6m/ s～1. 2 m/ s 范围内;对于内径大于50 mm 的管子,管内流速应小于1. 8 m/ s。其冷却水沿程阻力计算与局部阻力计算方法与前面的6.3中冷冻水沿程阻力计算与局部阻力计算方法相同。但其中高密度聚乙烯管材的Rm无法直接查到,可按下式计算
（10-1）
式中ρ---为水密度,kg/ m3;μ为水黏度,kg/ (m·s)；
地下换热器阻力按图7-1中的1～9 环路计算。水的密度与黏度取23 ℃时的值,即ρ=997.46 kg/ m3 ,μ=0.942×10?3 kg/ (m·s)。 首先确定管中的流速，由下式：
n=
4000W（10-2） 2??di
式中n 为钻孔数; W 为机组水流量,L/ s; ?为竖埋管管内流速,m/ s , di 为竖埋管管内径mm。
可得管中的流速为：
?=
4000W（10-3） 2?ndi
首先可以确定U管段的管径为DN20,可以由上式求出其流速，就能得出其流量，然后就能求出其它管段的流量，再由流量和流速来确定其它管段的管径。
表10-1 冷却水管水力计算
序号 负荷(kW) 329 54.8 51.18 47.52 43.87 40.21 36.56 32.9 29.24 流量(kg/h) 43.606 7.2633 6.7835 6.2984 5.8146 5.3295 4.8457 4.3606 3.8755 管径 管长(m) 2.5 3 3 3 3 3 3 3 3 ν(m/s) 1.373 0.915 0.854 0.793 0.732 0.671 0.61 0.549 0.815 R(Pa/m) 215.36 237.09 207.77 180.07 154.40 130.62 108.87 89.024 265.07 △Py(Pa) 538.40 711.29 623.31 540.21 463.21 391.88 326.62 267.07 795.21 ξ 3.5 1 1 1 1 1 1 1 1 动压(Pa) 940.35 417.42 364.10 313.88 267.52 224.74 185.79 150.45 331.85 △Pj(Pa) 3291.2 417.42 364.10 313.88 267.52 224.74 185.79 150.45 331.85 △Py+△Pj(Pa) 3829.6 1128.7 987.41 854.10 730.73 616.62 512.41 417.53 1127.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DN100 DN50 DN50 DN50 DN50 DN50 DN50 DN50 DN40 续表10-1
第 33 页 共 44 页
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 小计 25.59 21.93 18.28 14.62 10.97 7.31 3.655 54.8 54.8 109.7 164.5 219.3 274.2 329 1973.9
DN40 DN40 DN32 DN32 DN32 DN25 DN20 DN50 DN50 DN70 DN80 DN100 DN100 DN100 3 3 3 3 3 3 123 46 4 4 4 4 4 23.5 257 0.714 0.612 0.67 0.536 0.402 0.47 0.379 0.915 0.915 1.112 1.19 0.915 1.144 1.373 205.10 152.61 217.67 142.1 82.525 160.24 147.30 237.09 237.09 251.44 231.18 97.876 150.98 215.36 615.32 457.84 653.01 426.3 247.57 480.72 18118 10906 948.38 1005.7 924.73 391.50 603.95 5061.0 45498 1 1 1 1 1 1 13 3 1 1 1 1 4 3 44.5 254.17 186.66 224.37 143.52 80.804 110.28 71.856 417.42 417.42 617.30 706.76 417.81 653.18 940.35 254.17 186.66 224.37 143.52 80.804 110.28 934.13 1252.2 417.42 617.30 706.76 417.81 2612.7 2821.0 16326. 869.49 644.51 877.38 569.82 328.37 591.00 19052. 12158. 1365.8 1623.0 1631.5 809.31 3216.6 7882.0 61824 3.3917 2.9066 2.4228 1.9377 1.4539 0.9688 0.4844 7.2633 7.2633 14.539 21.803 29.066 36.343 43.606 261.63 10.4 地下换热器环路水泵选型 10.4.1 循环水泵的选择
水泵是中央空调的主要设备之一。
水泵的选择原则及注意事项：首先要满足最高运行工况的流量和扬程，并使水泵的工作状态点处于高效率范围；泵的流量和扬程应有10~20%的富裕量；当流量较大时，宜考虑多台并联运行，并联台数不宜超过3台，并应尽可能选择同型号水泵；供暖和空调系统中的循环水泵，宜配备一台备用水泵；选泵时必须考虑系统静压对泵体的影响，注意水泵壳体和填料的承压能力以及轴向推力对密封环和轴封的影响，在选用水泵时应注明所承受的静压值，必要时有制造厂家做特殊处理。
水泵的形式的选择与水管系统的特点、安装条件、运行调节要求和经济性等有关。选择水泵所依据的流量L和压头P如下确定：
水泵扬程 P=(1.1～1.2)Hmax ，kPa (10-4) 式中Hmax为管网最不利环路总阻力计算值，kPa；
1.1～1.2为放大系数。
水泵流量 L=(1.1～1.2) Lmax， m3/h (10-5) 式中Lmax为设计最大流量
1.1～1.2为放大系数，水泵单台工作时取1.1，多台并联工作时取1.2。 水泵选型所依据的流量W和扬程R确定如下：
第 34 页 共 44 页
经计算, 冷却水最不利环路的阻力为61.83 kPa,设备压力损失为25 kPa； 故总阻力为 ：61.83 kPa+25 kPa=86.83 kPa =8.7 mH2O；
所以水泵所需流量W 为43.6m3/h ,水泵所需扬程Ph为8.7m。根据计算结果水泵的量程流量留一点余量，查《中央空调设备选型手册》可以选择IS级吸清水离心泵，性能参数如下：
型号：ISG65-100(I)A 转速：2900r/min 流量：12.11L/s 扬程：10 m
电机功率：2.2kW 汽蚀余量：3.2 m
重量 ：88 Kg 电动机电压：380 V 10.4.2 冷冻水泵配管布置
进行水泵的配管布置时，应注意以下几点： （1）安装软性接管：在连接水泵的吸入管和压出管上安装软性接管，有利于降低和减弱水泵的噪声和振动的传递。
（2）出口装止回阀：目的是为了防止突然断电时水逆流而时水泵受损。
（3）水泵的吸入管和压出管上应分别设进口阀和出口阀；目的是便于水泵不运行能不排空系统内的存水而进行检修。。
（4）水泵的出水管上应装有温度计和压力表，以利检测。如果水泵从地位水箱吸水，吸水管上还应该安装真空表。
（5）水泵基础高出地面的高度应小于0.1m，地面应设排水沟。
10.5 阀门安装
水系统的阀门可采用闸阀、止回阀、球阀，对于大管路可采用蝶阀，选用阀门时，应和系统的承压能力相适应，阀门型号应与连接管管径相同。
阀门的作用一为检修时关断用，一为调节用。当需定量调节流量时，可采用平衡阀。平衡阀可以兼作流量测定、流量调节、关断和排污用。一般在下列地点设阀门： （1）水泵的进口和出口；
（2）系统的总入口、总出口；各分支环路的入口和出口； （3）热交换器、表冷器、加热器、过滤器的进出水管；
（4）自动控制阀双通阀的两端、三通阀的三端，以及为手动运行的旁通阀上；
第 35 页 共 44 页