地埋管换热器的设计与施工

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。
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地下埋管串联
地下埋管并联
垂直埋管方式
地下埋管串联
地下埋管并联
水平埋管方式
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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。
❖ 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。
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（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， 换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应 用多层管的较多。
❖ 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、 50 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。
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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,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。
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1)地热换热器的选型:
❖ 地热换热器的选型包括型式和结构的选取, 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:
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100~150mm，井深10~200m，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。
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❖ 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。
地埋管换热器的设计与施工
主讲人：张一鸣
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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
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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。
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。
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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。
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。
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（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 （ 31~80m）和深埋（＞80m）。
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。
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ换热效果好。
❖ 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，岩石层的导热能力较 强。
❖ 国内实际经验看，单层管最佳深度1.2~2.0m，双层管 1.6~2.4m。
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2.地埋管换热器的设计
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❖ 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。