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换热器的形式
土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。地源热土壤换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和
应用环境。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,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不
影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。
竖直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32、DN50等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定,可以从20m-200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,反之,采用浅埋。埋管间距一般以5-6m及以上,要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。
竖直埋管换热器回填、灵敏
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平
集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同,回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。
竖直埋管换热器中传热的衰减
竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温
又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。对于浅埋管尤其严重。设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。同时,由于埋管换热器的表面结垢等影响,设计时要考虑衰减,设定值应通过经济比较选择最佳状态点。
串联或并联
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种,串联系统管 径较大,管道费用较高,并且长度压降特性限制了系统能力。并
联系统管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力。因此,实际工程一般都采用并联同程式。结合上文,即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。
选择管材
一般来讲,一旦将换热器埋入地下后,基本不可能进行维修或更换,这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足,且需要埋入地下的管道的数量较多,应该优先考虑使用价格较低的管材。所以,土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。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。
确定管径
在实际工程中确定管径必须满足两个要求:(1)管道要达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,管内流速控制在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
确定竖井数目及间距
国外,竖井深度多数采用50~100m,设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H ,计算结果进行调整,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4.5m, 也有实例中提到
DN25的U型管,其竖井水平间距为6m,而DN20的U型管,其竖井水平间距为3m。若采用串联连接方式,可采用三角形布置,来节约占地面积。
计算管道压力损失
在同程系统中,选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法,将局部阻力件转换成当量长度,和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度,再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降,将所有管段压降相加,得出总阻力。
水泵选型
根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失,再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失,确定水泵的扬程,需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程,选择满足要求的水泵型号及台数。
其它
与常规空调系统类似,需在高于闭式循环系统最高点处(一般为1m)设计膨胀水箱或膨胀罐,放气阀等附件。