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1、地埋管换热器的设计与施工,主讲人：张一鸣,目录,1.地埋管换热器的类型 2.地埋管换热器的设计 3.地埋管换热器的施工 4.举例,1.地埋管换热器的类型,地源热泵的概念：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布置形式即水平埋管和垂直埋管。,（1.）水平式埋管 水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单
2、层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。他们共同的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。,（2.）垂直埋管 垂直埋管根据埋管形式不同，一般有单U型管，双U型管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立柱状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（30m）、中埋（3180m）和深埋（80m）。目前，使用最多的是单U形管和双U形管。U形管型是在钻井的管井内安装U形管，一般管井直径在100150mm，井深10200m，U形管管径在50mm以下。由于施工简单，换热性能好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用较多
3、。,水平埋管和竖直埋管的选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式比较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置。实际工程中往往在现场勘察结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置和水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，故一般采用垂直埋管的方式。水平埋管通常采用浅层敷设，在软土地区较为合适。可以不设坡度，最上层管应在冰冻线下0.4m。据地面深度不小于0.8m。遇坚硬的岩石层时，多埋设双U形管，岩石层的
4、导热能力较强。国内实际经验看，单层管最佳深度1.22.0m，双层管1.62.4m。,2.地埋管换热器的设计,地埋管换热器的设计：主要包括地热换热器的选型及地热换热器的设计。其中,地热换热器的设计包括埋管的长度、埋管的直径、管路连接方式等。地下埋管的长度与进入热泵的流体入口温度有关。当地下岩土温度一定时,在制热模式时要求热泵入口温度越高,或是在制冷模式时要求热泵入口温度越低,地下换热器的长度就会越长。由此导致热泵系统的初投资增加,但热泵的效率却提高了。因此,地下换热器设计的关键问题是在满足系统工作性能要求的前提下,选取合理的埋管长度,提高热泵效率。,1)地热换热器的选型:地热换热器的选型包括型式
5、和结构的选取,对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。a)地热换热器的布置型式,包括埋管方式和连接方式。埋管方式分为水平埋管和垂直埋管两种方式。管路的连接方式地热换热器管路连接既可采用串联方式,也可采用并联方式(如图所示)。采用何种方式,主要取决于安装成本。现对两种方式下系统的特点作如下分析:,串联系统优点:1、具有单一流体通道和同一型号的管子。2、由于采用管径比并联系统大,因此对单位长度的管道来说,串联系统的传热性能比并联系统的稍高。3、由于管径大,管内流速大,系统内积存的空气容易排出。串联系统缺点:1、串联系统采用大管径管子,因此管内体积就较大,所需的防冻液就多,故
6、防冻液的投资增加。2、管子成本高于并联系统的成本。3、安装劳动力成本增大。4、管道阻力损失大于并联系统。,并联系统是用小管径管子构成。并联系统的特点如下:并联系统的优点:1、因使用小管径的管子,故管子成本较低。2、所需防冻液量较小。3、安装过程劳动成本较低。4、阻力损失小。并联系统缺点:1、排除空气较串联方式困难。2、若布置不当,各环路内水量不能保持平衡。3、阻力损失较小。,在地热换热器中,虽然串联方式管内流体流动速度高于并联系统,但由于地热换热器的热阻主要是塑料管壁与岩土之间的热阻,因此串联连接的总传热系数并没有显著提高。另外,串联系统成本比并联系统成本要高。因此,在一般工程中常采用并联系统
7、,为了保持各环路之间的水力平衡,并联系统可采用同程系统。塑料管的选择,包括材料、管径、长度、循环流体的压头损失。聚乙烯是地热换热器中最常用的管子材料。这种管材的柔韧性好,且可以通过加热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头。,2）埋管直径的选取：选择管子直径大小时,应从以下两方面出发：（1）管径大,能减小循环泵能耗。（2）管径小,能使管内流体处于紊流区,这样流体与管内壁之间的换热效果好。选管时应以安装成本最低、运行能耗小、地热换热器中流体流量最小且能保持紊流为原则。大直径管子较小直径管子投资高,所需防冻液多,更难于处理和安装。二者兼顾考虑,地热换热器所用管子的直径一般为20、25、32、40、5
8、0 mm。并联布置的回路由小直径的管子制成,而进口集箱与出口集箱由直径较大的管子制成。设计者在选用管子时,地下回路尽量采用薄壁管子,集箱则尽量选用厚管以提供足够的结构强度。,3）换热器长度的确定 地热换热器的负荷由热泵的负荷所决定,而热泵的负荷又与空调房间的负荷有关。地热换热器的传热量与当地岩土温度、岩土的热物性、埋管的形式、热泵运行时间等多种因素有关。因此换热器的长度不能只由室内瞬时负荷来确定。当运行时间在数小时至数月的范围内,U 形竖直埋管地热换热器的传热过程通常可用一维瞬态常热流线热源模型进行简化。通过输入全年各月冷热负荷,即可使热泵系统在数十年使用期内均在满足设计负荷的前提下确定地热换
9、热器的长度。当地热换热器的总长度确定以后,根据埋管场地的大小来确定埋管的深度。确定地下换热器长度除了要知道系统布置和管材外,还需要知道当地的土壤物性参数资料,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的换热量,一般垂直埋管为 4070 W/m 井深 水平埋管为 2040W/m 管长。设计时可取换热能力的下限值,即 40 W/m垂直埋管管长,具体计算公式如下:L=（Q1 000）/40 式中 L 竖井埋管总长,m;35 夏季每 m 井深散热量,W/m。,4）竖井数目和间距 在国外竖井深度多采用 50100 m,设计者可以在此范围内先选择一
10、个竖井深度 H,代入下式计算竖井数目:N=L/H 式中 N 竖井总数,个;H 竖井深度,m;然后对计算结果进行圆整,若计算结果偏大可以增加竖井深 度,但不能太深,否则钻孔和安装成本大大增加。关于竖井间距有资料指出,U 型管竖井的水平间距一般为 4.5 m;也有实例中提到 DN25 的U 型管,其竖井水平间距为 6 m,而 DN20 的 U 型管,其竖井水平间距为 3 m。,负荷的计算：准确的计算建筑负荷是地埋管换热器设计的前提与基础.设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的,根据设计负荷设计空气分布系统(送风口,回风口和风管系统),设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑
11、物的最大负荷时,必须逐时计算出每个房间、每个区域所必需的负荷信息,并求出其中的最大值。为了进一步分析地源热泵系统的能耗情况,必 需对建筑物进行必要的能耗计算。,通常所采用计算的方法有:度日法,温频法和逐时法。a、度日法是最简单的计算方法,但通常结果不理想。当系统运行效率取决于室外空气条件时,不能采用度日法计算该系统的能耗,例如地源热泵系统。b、温频法是将全年温度划分为若干组,分别计算系统在每个温度组内的能耗量。温频法考虑到了室外空气的影响和部分负荷工况的影响,而且该方法可以通过精确划分满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算和计算机计算都很方便。c、逐时法主要是用于需要确定大量细节的大型建筑
12、的能耗计算,由于其计算量非常大,通常采用计算机计算。,地热换热器的设计需要知道在某一特定阶段内从地下吸取的热量或释放到地下的热量,通常应满足一年中最冷月和最热月的要求。在供冷季节,输入系统的所有能量都必须释放到地下,这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节,从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功。输入的热量包括压缩机耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。,地埋管设计的常用数值,地埋管管材宜采用聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管；通常采用公称外径为dn25或dn32的管子。竖直地埋管换热器埋深宜大于
13、20m,一般埋管深度在60120m；钻孔孔径不宜小于0.11m，通常为0.150.20m；钻孔间距应满足换热要求，宜为36m。水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m；供回水环路集管的间距不应小于0.6m。,竖直地埋管双U换热器每延米换热量：制冷时为60w/延米；制热时为50w/延米。若为岩石或致密砂土时制冷换热量为70 80 w/延米；若采用单U换热器时制冷换热量为40 45w/延米。一个工程需要竖直地埋管换热器的长度及总的竖孔井数：可由该建筑总的向土壤放出或吸收的冷热负荷值，除以地埋管换热器每延米换热量，取最大值即为该工程所需竖直地埋管换热器的长度。根据竖直地埋管换
14、热器的埋深和地埋管换热器总长度可算出总的竖孔井数。,3.地埋管换热器的施工,施工工序及方法：1 钻孔钻孔机械落位时，采取措施将钻头与孔位对中，误差不得大于10mm。钻孔机械初步落位后，进行钻头垂直度调整。在钻机本体纵横两个方向上选择两个固定平面，用水平尺和塞尺进行调整钻机水平，保证钻头垂直地面。钻机水平误差不大于5。施工过程中，钻杆每下进10m后须进行钻机本体水平度复核。当误差大于5时，必须进行调整。以钻杆的实际长度控制孔深，孔深必须达到设计深度。,2 管道连接HPDE管道连接执行国家现行标准埋地聚乙烯给水管道工程技术规程（CJJ101）的有关规定。当室外温度低于5时，不宜进行管道连接、试压等
15、操作活动。埋地的垂直单U形管垂直段中间部位禁止采用接头；U形弯管接头采用定型的成品管件，不得采用直管煨制方法制作弯头。管道接头采用热熔或电熔连接。根据不同的管径及壁厚，选择与之相适应的热（电）熔器。熔接前，必须彻底清理管道里面，保证管道内无杂物；管接头内外表面必须擦拭，保持干燥、无污染。管接头加热时间必须严格按厂家提供的参数控制，确保熔接质量。未熔透或过熔的接头必须清除后重新熔接，清除长度不小于6倍管径。,下道工序开始前，及时对管口采取可靠、牢固的方式密封。管道连接按先地埋管，其次环路集管（水平干管），最后连接机房分水器的顺序进行。不同阶段都必须进行必要的水压试验。水平埋地管敷设前，沟槽底部先
16、铺设一层厚度不小于管径的细砂，以保护管道不受损伤。管道铺设要做到横平纵直；管道应有25的坡度，坡向与水流方向相同；成排管道在同一平面上的间距相同，误差不大于3mm。回填时，回填料应细小、松散、均匀，不含石块及土块。回填料经均匀压实，与管壁接触紧密。系统管道连接完毕后，必须对管路进行冲洗，合格后才能进行系统试压。,3 水压试验当工作压力1.0Mpa时，试验压力为工作压力的1.5倍，且不小于0.6Mpa；当工作压力1.0Mpa时，试验压力为工作压力加0.5Mpa时。水压试验步骤：a 预制好的垂直U形管插入埋孔前必须进行预加压试验。在试验压力下，稳压不少于15分钟，压力降不应大于3，且无渗漏现象。合
17、格后，将垂直U形管密封，保持其内压在试验压力情况下进行放管操作并完成灌浆。完成灌浆之后稳压1小时。b 埋地垂直U形管与环路集管（水平干管）连接完成后进行第二次水压试验，试验合格才能回填隐蔽。在试验压力下，稳压不少于30分钟，压力降不应大于3，且无渗漏现象为合格。c 环路集管（水平干管）与机房分集水器连接完成后进行第三次水压试验，试验合格才能回填隐蔽。在试验压力下，稳压不少于2小时，无渗漏现象为合格。d 地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填隐蔽结束后，进行系统试压。在试验压力下，稳压不少于12小时，压力降不应大于3。,垂直管水压试验：双U型管的接头采用电熔连接方法，在工厂进行，每个U型
18、管接头熔接成功后，进行清洗、打压试验，打压16MPa观测1小时以上，不泄漏为合格。下管前先用自来水对管道进行冲洗，然后进行试压。试压12MPa，带压观测15min以上，不渗不漏无破裂，压力下降不超过003MPa为合格。试压完毕，每组双U型换热管头必须立即密封。安装管卡。为保证换热管能尽可能贴近孔壁，避免换热管之间的短路传热，3m间隔安装管卡，安装一定要牢固。下入换热管后，为检验在下管过程中是否有管壁划伤破损，进行二次打压，试验压力08MPa，带压观测30min以上，压力下降不超过002MPa为合格。水平管水压试验管道连接完毕后，进行08MPa的打压试验，水压保持2h以上，压降不超过0024MP
19、a为合格。,4 垂直段放管管孔达到设计深度后，立即组织放管。放管前，在洞顶安装一段护壁套管，套管口打磨光滑，不得有毛刺或锐尖。利用钻杆将预制好的垂直U形管徐徐下放，若遇受阻时不可强行用力下顶，待查明原因并处理后再操作。放管过程中，采取措施使U形管处于分开。四根管应均匀平稳下入，入过程中确保与地面垂直的地上管段不得小于1m。打压合格后，把所有管头再次密封保压，进行回填级配砂石。换热管与 钻孔之间回填级配砂石直至基底。填料时要求填料由四周缓慢填入，填级配砂石的同时间断地向孔内注水，确保成孔内级配砂石的尽可能密实。填料分次填入。一次填满后过两三天就会自然下沉约1m，发现下沉要及时再次填满，加适量的水
20、浇灌以促进下沉，大约三次就不再下沉，填料密实。,5联络管施工 管沟坑按照实际施工进度，分区开挖，主管道管沟采用小型机械，配合人工清理，一次开挖到位，联络管支管管沟采用人工开挖。干管安装将预制好的管道运到管沟，按事先编码顺序摆放。然后进行连接，管道的连接方式按管径大小分为热熔连接和电熔连接。干管为D90全部热熔连接，三通甩口要求垂直于相应井位支管，偏差不得大于15。支管连接：每根干管连接好后，开始连接支管，支管为D32全部采用电熔连接，将换热孔分支管引到干管三通处，按顺序逐个连接。遇到塑料管和钢管连接时采用专用钢塑转换接头连接。6 灌浆灌浆料严格按照设计要求调配或使用满足要求的专用材料。严格控制
21、灌浆量，保持一定的盈余量，保证回填密实、饱满。控制灌浆管提升速度，以管口始终浸没在浆料面以下为准。,地埋管换热器的施工主要的难点在钻井和下管。钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。钻孔机械一般可采用中浅孔岩心钻机，钻孔的孔径一般在200mm（单U型管150mm）左右。钻孔施工前应对埋管场地的地质状况进行了解，特别应注意是否有地下管线及其准确位置。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面，施工前制定好排水措施，在排水沟的末端挖一个泥浆池，对钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀。下管是工程的关键之一，因为下管的深度决定采取热量总量的多少，所以必须保证下管的深度。下管一般采用人工下管和机械下管结合的方
22、式，在施工过程中，由于孔内情况复杂，下管时可能遇到很大的阻力。可以采用下面的方法进行下管：在PVC管上套上粗麻绳，辅以扶正机构，通过加力杠杆作用于麻绳上，以便下管。另外一种经常采用的方法是用专用的下管器具直接用钻机下管。,竖直地埋管换热器灌浆回填材料宜采用膨润土和细沙（或水泥）的混合浆或专用灌浆材料。回填物中不得有大粒径的颗粒，回填过程必须缓慢进行，以保证实度，减少传热热阻。为防止泄漏的发生，U型管换热器应尽量采用成卷供应的管材，以利用单根管制作成一个埋管单元，减少连接管件。在回填之前应对埋管进行试压。确认无泄漏现象后方可进行回填，试压压力值一般为管路流体正常工作压力的1.5倍。如有泄漏发生，
23、则必须再进行现场补接。钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度。为此，每钻完一孔，应及时把U型管放入并采取防止上浮的固定措施。在安装过程中，应注意保持套管的内外管同轴度和U型管进出水的距离。系统安装完毕，应进行清洗、排污，确认管内无杂质后，方可灌水。,4.举例,例如上海某别墅总冷、热负荷分别为：95KW；88KWA、地埋管数量的计算：根据不同地区的土壤换热情况。夏季，在进/出口温度为35/30的工况下，单U型d323.0PE竖直埋管，每米单管散热量为34W，每米井的散热量为68W。冬季，在进/出口温度为5/10的
24、工况下，单U型d323.0PE竖直埋管，每米单管取热量为24W，每米井的散热量为48W。设计采用打井深度为102.5m（埋管深度100M）的形式。夏季，向土壤中排放的热量按下式计算：其中：夏季向土壤排放的热量，kW；夏季设计总冷负荷，kW；设计工况下水源热泵机组的制冷系数，取4.6。,冬季，室内供暖时从土壤中吸取的热量按下式计算：其中：冬季从土壤中吸取的热量，KW；冬季设计总热负荷，KW；设计工况下水源热泵机组的制热系数，取4。计算结果见下表：表1 地源系统打井数量与埋管长度,B、地埋管管路设计 设计采用打井深度为102.5m（埋管深100m），共18口的埋管形式，竖井沿建筑物基础外2.5m处
25、均匀布置。孔横间距5m，竖向间距5m，孔口直径在120150mm，孔内直接埋设单Ud323.0PE管道，管道内循环介质采用防冻溶液。18口井分为2个子阵；每个子阵9口井，每口井的进出管按并联同程同向的形式进入每个9路分集水器；2个子阵分集水器集管2路总进/出管按同程同向的形式汇总到机房总分集水器。这样的做法有以下优点：a、控制到每一口井，以后出现任何一口井损坏，关掉这口井的进出口阀门，不会影响整个系统的运行；b、通过分集水器的形式以及同程同向的做法，使得经过每口井的流量保持一致，最大发挥地埋管系统的效率。,总结,地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景,但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素（如地下换热器的传热强化、土壤性质等）的研究还很有限,设计时大致可以遵循以下原则:a 若建筑物周围可利用地表面积充足,应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式;相反,若建筑物周围可利用地表面积有限,应采用竖直 U 型埋管方式。b 并联埋管方式所需管径小,初投资及运行费用均较少,所以在实际工程中较常用,为了保持各并联环路之间阻力平衡,最好设计成同程式。c 选择管径时,除考虑安装成本外,一般把各管段每 m当量长度压力损失控制在 0.04 m 以下,同时应使管内流动处于湍流过渡区。,谢谢大家！,
