2013年公用設(shè)備工程師考試暖通空調(diào)知識點(diǎn)(5)

　　地源熱泵埋管系統(tǒng)的管徑選擇及水力和換熱計(jì)算

　　1　管徑的選擇原則

　　在選擇和設(shè)計(jì)管徑時(shí)應(yīng)考慮如下問題：

　?、購倪\(yùn)行費(fèi)上考慮管徑越大越好，以降低泵的輸送功率，減少平時(shí)的運(yùn)行費(fèi);②從初投資上考慮管徑不能太大，必須保證管內(nèi)流體處于紊流區(qū)(Re≥2100)，以增加流體與塑料管壁的換熱系數(shù);③系統(tǒng)環(huán)路長度不要太長;④不同的流體對阻力和換熱都有影響，因此選擇管徑時(shí)應(yīng)特別加以注意。

　　綜合考慮，推薦采用薄壁小管徑管子，并聯(lián)布置方案。

　　2　埋管內(nèi)工作流體

　　在國內(nèi)南方地區(qū)，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體;北方地區(qū)，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃，因此一般均需使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長等特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的有：①鹽類溶液――氯化鈣和氯化鈉水溶液;②乙二醇水溶液;③酒精水溶液等。

　　一般來說，鹽溶液具有安全、無毒、無污染、導(dǎo)熱性能好、價(jià)格低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)有空氣存在時(shí)，對大部分金屬具有腐蝕性。在正確選用管材、部件和系統(tǒng)內(nèi)空氣被排除干凈的情況下，鹽溶液是一種很好的防凍液。

　　乙二醇水溶液相對安全、無腐蝕性，具有較好的導(dǎo)熱性能，價(jià)格適中，但使用壽命有限，且有毒。

　　酒精水溶液具有無腐蝕性、較好的導(dǎo)熱性、價(jià)格適中、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前應(yīng)用水將其稀釋，以降低其爆炸的可能性，由于其無腐蝕性，作為防凍液很受歡迎。

　　3　最小管內(nèi)流速(流量)

　　臨界雷諾數(shù)

　　2 000為紊流，Re<2 000為層流。根據(jù)Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4　Vk　 600的計(jì)算公式，可求出上述三種流體在不同管徑下的最小流速，即最小流量。

　　上述公式中符號，Re――雷諾數(shù);V、Vk――流速;臨界流速，m/s;Qk――臨界流量，m3/h;di――管內(nèi)徑，m;ν――運(yùn)動(dòng)粘帶性系數(shù)，m2/s。

　　在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說明采用CaCl2和乙二醇水溶液時(shí)，為了保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。

　　4　不同流體管內(nèi)換熱系數(shù)aw (w/m2•k)計(jì)算

　　當(dāng)Re>104時(shí)，其流體側(cè)換熱系數(shù)aw可用下式計(jì)算，即：

　　aw=β=0.021(1)

　　當(dāng)2 100

　　上面公式中符號意義、單位同前。從表中看出在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數(shù)最大。其大小排序?yàn)樗?、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具體比值與管徑和流速有關(guān)，其大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

　　6.5　管路沿程阻力hf(kPa/100m)計(jì)算

　　計(jì)算公式為：

　　hf=λ=λ(2)

　　式中：λ――沿程摩擦阻力系數(shù);L――管長度，m。

　　由于地下埋管換熱器內(nèi)流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑(過渡)區(qū)內(nèi)，即2 100

　　幾種流體在不同流速、不同管徑下的hf見表3。從表3看出，在相同管徑、相同流量下，CaCl2水溶液的hf為水的1.44倍;乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。

　　5　有關(guān)水流量和壓力損失的推薦值

　?、俚叵侣窆軗Q熱器環(huán)路壓力損失限制在30～50kPa/100m為好，最大不超過50kPa/100m。

　?、诘叵侣窆芟到y(tǒng)單位冷噸(1冷噸=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)為好，大于0.19L/s•t(3.24L/min•kW)，泵的消耗功率顯著上升。

　?、垩h(huán)水泵消耗功率P與熱泵容量名義冷噸之比控制在50～75W/熱泵能力冷噸(14.2～21.3W/kW)為好。

　?、懿煌軓较碌穆窆苌疃燃白钚°@孔孔徑推薦值見表7。

　　地源熱泵埋地?fù)Q熱器設(shè)計(jì)方法

　　常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)涉及到的能耗分析、負(fù)荷計(jì)算、系統(tǒng)方案優(yōu)化選擇、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等內(nèi)容就不再累述，但地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須從地下?lián)Q熱系統(tǒng)、機(jī)房系統(tǒng)和末端系統(tǒng)整體考慮，進(jìn)行合理的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　這里著重簡述地源熱泵埋地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)方法：

　　1、資料收集

　　1.1.建筑物基礎(chǔ)資料的收集。包括能耗、負(fù)荷、功能、使用時(shí)間表、可用埋管面積、周圍各種水體情況、能源價(jià)格、業(yè)主的要求和需求等。

　　1.2.地質(zhì)勘查，地質(zhì)資料的收集。主要是土質(zhì)和地下水情況。

　　1.3.如果采購有限制，還需要知道地源熱泵機(jī)組的參數(shù)，比如極端供回水溫度。

　　2、地源熱泵埋地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)

　　2.1.初步確定一種埋地?fù)Q熱器的形式。

　　--垂直式或水平式(各有5種以上形式，將結(jié)合案例

　　分析)

　　--串連式或并聯(lián)式(并聯(lián)采用較多)

　　2.2.確定埋管位置。

　　2.3.管材的確定。

　　--材料并掌握其各種參數(shù)(最好PE，或PB甚至PVC)

　　--尺寸(SDR11或13，SCH)

　　2.4.初步確定地下土壤的溫度(實(shí)測或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.5.初步確定地下土壤的最高和最低溫度(查手冊圖表或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.6.初步確定地下熱泵機(jī)組的最高和最低進(jìn)水溫度(查手冊圖表并根據(jù)機(jī)組性能和工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.7.初步確定地下土壤與地下?lián)Q熱器之間的溫差(查手冊圖表或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.8.初步計(jì)算管道和循環(huán)介質(zhì)換熱的熱阻(軟件計(jì)算、查手冊手算、或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.9.初步計(jì)算管道和土壤換熱的熱阻(軟件計(jì)算、查手冊圖表、并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.10.初步計(jì)算供熱和制冷流程因子(軟件計(jì)算、查手冊手算)。

　　2.11.初步計(jì)算埋地?fù)Q熱器的管道長度(軟件計(jì)算、查手冊手算或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn))。

　　2.12.對所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估優(yōu)化，進(jìn)行調(diào)整(這個(gè)工作貫穿在設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟，可能隨時(shí)需要調(diào)整，逐步趨向最優(yōu)。所以，嚴(yán)密科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，豐富的工程經(jīng)驗(yàn)配合軟件可以事半功倍)。

　　2.13.確定埋地?fù)Q熱器循環(huán)水泵和集分水器、排氣設(shè)施等附件。

　　3、地源熱泵埋地?fù)Q熱器的安裝施工方案

　　地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工的結(jié)合是非常嚴(yán)密的，邊設(shè)計(jì)邊施工，或者經(jīng)常修改設(shè)計(jì)是非常常見的。美國的IGSHPA注冊安裝師往往是同時(shí)擔(dān)任一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師和安裝技術(shù)指導(dǎo)。一套完整的設(shè)計(jì)方案應(yīng)該包括詳細(xì)的施工安裝方案和預(yù)算。