楊紹陽(yáng) 刁乃仁 王金標(biāo) 李昆

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

地埋管水平干管同/異程式設(shè)計(jì)分析

楊紹陽(yáng) 刁乃仁 王金標(biāo) 李昆

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

由于地埋管系統(tǒng)的初調(diào)節(jié)性較差，目前地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是以同程式為主，可以確保系統(tǒng)水力平衡。本文以某一工程的設(shè)計(jì)入手，提出加大水平干管管徑以減小不平衡率的異程式設(shè)計(jì)方案，并從初投資、運(yùn)行費(fèi)用以及節(jié)能等角度分析地埋管的水平干管同程式以及異程式設(shè)計(jì)的差異。最后得出結(jié)論并給出一個(gè)地埋管水平干管異程式設(shè)計(jì)的參考范圍值。

地埋管 同/異程式 設(shè)計(jì) 初投資 運(yùn)行費(fèi)用 節(jié)能

“地源熱泵”的概念，最早在1912年由瑞士的專家提出，北歐國(guó)家主要用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行采暖[1]。自引進(jìn)中國(guó)后，由于其節(jié)能、環(huán)保等眾多突出的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)家政策大力支持，地源熱泵得以在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展。隨著地源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，所需地埋管的孔數(shù)也是越來(lái)越多，從而導(dǎo)致了地埋管換熱器管路復(fù)雜多變且管程較長(zhǎng)。一個(gè)龐大復(fù)雜的工程通過合理的設(shè)計(jì)不僅可以保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，而且可以有效地減少初投資和運(yùn)行費(fèi)用，幫助企業(yè)節(jié)省不必要的開支。由于沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南以及豐富可靠的經(jīng)驗(yàn)，到目前為止，在地埋管設(shè)計(jì)中絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)都以同程式為主，這也是出于為了能夠保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的目的[2]。但是使用同程系統(tǒng)容易導(dǎo)致初投資和運(yùn)行費(fèi)用的增高，不能夠達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，所以，本文以某一工程設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，提出把地埋管水平干管的管徑加大尺寸，在保證系統(tǒng)不平衡率小于15%的前提下，系統(tǒng)由原來(lái)的同程式改為異程式，從初投資以及運(yùn)行費(fèi)用等方面來(lái)系統(tǒng)地分析下地埋管水平干管同異程設(shè)計(jì)的差異。

1 地埋管水平干管同/異程式水力計(jì)算

本工程空調(diào)冷負(fù)荷約為2370kW，熱負(fù)荷約為2100kW，地源熱泵機(jī)組夏季空調(diào)供回水溫度為7/12℃，地埋管側(cè)進(jìn)出水溫度28/32℃；冬季空調(diào)供回水溫度為45/40℃，地埋管側(cè)進(jìn)出水溫度4/8℃。地埋管設(shè)計(jì)采用夏季空調(diào)冷負(fù)荷，每米孔深換熱為60W/m，地埋管豎直管采用雙U管，管徑De32，水平管深度距自然路面標(biāo)高1.5～2m，本工程布孔474個(gè)孔，6或4個(gè)鉆孔組成一個(gè)水平環(huán)路，就近通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭與分集水器相連接。分集水器之間由水平主干管連接。水平主干管管徑小于等于DN250時(shí)采用無(wú)縫鋼管。管徑大于DN250采用螺旋焊接鋼管。鋼管安裝前應(yīng)除銹，外表面涂氫凝，后做聚氨酯發(fā)泡保溫。

1.1 “末端”水力計(jì)算

“末端”指的是地埋管系統(tǒng)中從檢查井到地埋管最低點(diǎn)供回水來(lái)回部分，這部分系統(tǒng)形式基本相同，差異不大，故阻力損失也相差不大，可以看做是一個(gè)固定值，如圖1所示。地埋管采用高密度聚乙烯管PE100。管材公稱壓力為1.6MPa，工作溫度應(yīng)在3～40℃范圍內(nèi)。

圖1 “末端”圖

圖1中的十三通和檢查井可以看作分集水器，其阻力計(jì)算時(shí)按照沿程阻力的20%進(jìn)行計(jì)算，在此以局部阻力系數(shù)進(jìn)行代替，具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 “末端”水力計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，可以看出從檢查井到埋管最低點(diǎn)一個(gè)來(lái)回的阻力損失大約為5.5～6.5m左右，在此后的計(jì)算中，取檢查井之后的全部阻力損失為6m。可以發(fā)現(xiàn)，地埋管系統(tǒng)的沿程阻力中“末端”部分的阻力損失非常大，這為進(jìn)行異程式設(shè)計(jì)提供了非常有利的條件。

1.2 同程式系統(tǒng)

同程式各并聯(lián)環(huán)路的管長(zhǎng)基本相等，阻力大致相同，水力穩(wěn)定性較好，流量分配較均衡，可減少初次調(diào)整的困難，但由于系統(tǒng)長(zhǎng)度增加，阻力增大，水泵的能耗增加，同時(shí)初投資相對(duì)較大。

同程式系統(tǒng)的水力計(jì)算時(shí)，一般情況下地埋管水平主干管平均比摩阻可按選用50～80Pa/m[3]。具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

圖2 室外水平主干管同程式系統(tǒng)圖

表2 室外水平主干管同程式水力計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，室外水平主干管同程式系統(tǒng)沿程阻力損失約為7m水柱，且發(fā)現(xiàn)在地埋管系統(tǒng)中局部阻力所占比例較大，是不可忽視的部分。

1.3 異程系統(tǒng)

異程式的供、回水干管中的水流方向相反，每一環(huán)路的管路長(zhǎng)不相等、管路簡(jiǎn)單、不需設(shè)回程管，節(jié)省管材。但由于各并聯(lián)環(huán)路的管路總長(zhǎng)度不等，各環(huán)路間存在阻力不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致水流量分配不均勻，因此，在水管設(shè)計(jì)時(shí)要采取一定的措施，如減小干管阻力、在各并聯(lián)支管上安裝流量調(diào)節(jié)裝置以增大支管阻力等。異程式設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 室外水平主干管異程式系統(tǒng)圖

由于地埋管系統(tǒng)中檢查井內(nèi)供回水管上只設(shè)有蝶閥，而沒有設(shè)置平衡閥，故無(wú)法較好地平衡壓力調(diào)節(jié)流量，進(jìn)行初調(diào)節(jié)很不方便，且通過調(diào)節(jié)閥門的開度來(lái)平衡壓力是一種浪費(fèi)行為。因此把管徑加大一號(hào)，使地埋管水平主干管平均比摩阻控制在20～40Pa/m左右，保證系統(tǒng)的并聯(lián)環(huán)路（不包括公共段）之間壓力損失的相對(duì)差額在15%之內(nèi)。

表3 室外水平主干管異程式水力計(jì)算

如圖3所示，管段1和管段14是共用管路，15管段為最近端檢查井的供回水管段，根據(jù)表3計(jì)算數(shù)據(jù)，則該系統(tǒng)的不平衡率為：η=(10534-1454)/(10534+ 60000)=12.9%。且室外水平主干管異程式系統(tǒng)沿程阻力損失約為1.9m水柱，與同程式系統(tǒng)相比，沿程阻力減小了5.1m水柱。

2 初投資和運(yùn)行費(fèi)用比較

不管是同程式還是異程式系統(tǒng)，“末端”部分的設(shè)計(jì)和施工都沒有進(jìn)行過多的變化，故只進(jìn)行水平主干管的初投資分析。同時(shí)根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行地埋管側(cè)循環(huán)水泵的選型，比較兩者的參數(shù)，分析節(jié)能潛力。

2.1 水平主干管初投資分析

地埋管水平主干管初投資主要包括了無(wú)縫鋼管、螺旋焊管、成品彎頭、發(fā)泡保溫、安裝措施費(fèi)、水平溝開挖以及回填沙費(fèi)用，其余零散的費(fèi)用不再一一列出，具體如表4。

經(jīng)過計(jì)算，可以很清晰地看出同程式水平主干管的初投資為30萬(wàn)元，而異程式水平主干管的初投資為20.5萬(wàn)元，比同程式節(jié)省了9.5萬(wàn)元，大概為1/3的比例。雖然異程式水平主干管的管徑都加大了一號(hào)，但總的初投資還是比同程式要節(jié)省了不少。

表4 水平主干管初投資分析

2.2 水泵分析

以上的初投資分析只是水平主干管部分，并沒有包括水泵，由于異程式沿程阻力小，水泵的揚(yáng)程也會(huì)比同程式的小，則水泵的購(gòu)買費(fèi)用和能耗都會(huì)隨之降低。由于冷熱源機(jī)組型號(hào)相同，故取機(jī)組內(nèi)阻力為7m水柱，同樣回水過濾器的阻力都取4m水柱，該系統(tǒng)較小，沒有在機(jī)房設(shè)置分集水器，故水泵的揚(yáng)程應(yīng)為：冷熱源機(jī)組阻力+回水過濾器阻力+地埋管環(huán)路阻力+富裕水頭[4]。則，同程式：7+4+(7+6)+5=29m；異程式：7+4+(1.9+6)+5=23.9m。

地埋管中循環(huán)液流量的確定：

地埋管側(cè)夏天冷卻水供回水溫度為28/32℃；冬天冷凍水供回水溫度4/8℃，循環(huán)液的溫差都為4℃。流量根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qz為地?zé)釗Q熱器最大釋熱量，kW。

Qz=2844kW，則計(jì)算得地源側(cè)循環(huán)液的總流量G= 609.4m3/h。

選擇水泵三臺(tái)，兩用一備。水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，流量有所衰減；當(dāng)并聯(lián)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)時(shí)，每臺(tái)水泵與單臺(tái)泵運(yùn)行比較流量的減少5%，即，每臺(tái)水泵的流量應(yīng)為320.5m3/h。水泵型號(hào)見表5。

表5 水泵型號(hào)

可以看出異程式地埋管側(cè)循環(huán)水泵的電機(jī)功率要比同程式的小7kW，總共為14kW，考慮到不管是同程式還是異程式系統(tǒng)的使用時(shí)間是一樣的，那么功率乘以時(shí)間，則得出節(jié)能7/37=18.9%。

3 總結(jié)

1）雖然人為地把管徑加大一號(hào)，使地埋管水平主干管平均比摩阻由原來(lái)的 50～80Pa/m減小為20～40Pa/m左右，但經(jīng)過具體分析比較，異程式設(shè)計(jì)的初投資要比同程式的降低了1/3左右，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）在大型空調(diào)系統(tǒng)中，水泵所耗的電能占整個(gè)系統(tǒng)耗電量的25%以上，所以水系統(tǒng)的節(jié)能手段是建筑節(jié)能的一個(gè)重要方面[5]。由于異程式管路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的沿程阻力較小，水泵可以選擇較小的揚(yáng)程，配套電機(jī)的功率減小，則降低了運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到了節(jié)能的目的，節(jié)能率為18.9%。

3）經(jīng)過多次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在一般情況下，若此水平主干管所承載的空調(diào)冷負(fù)荷控制在2500kW以內(nèi)時(shí)，可以考慮使用異程式系統(tǒng)，大約在此范圍內(nèi)，不平衡率可以控制在15%，超過此冷負(fù)荷后可使用同程式系統(tǒng)。

[1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2]丁勇,李百戰(zhàn),盧軍,等.地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器設(shè)計(jì)(2) [J].暖通空調(diào),2005,(11):76-79

[3]賀平,孫剛.供熱工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993

[4]董哲生.空調(diào)水系統(tǒng)阻力計(jì)算及水泵選型若干問題[J].暖通空調(diào),2006,(9):45-47

[5]付正剛,唐軍.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2010, (3):47-49

De s ign Ana lys is of Re ve rs e/Dire c t Re turn Mode for Horizonta l Pipe in Ground-s ourc e He a t Pum p Sys te m

YANG Shao-yang,DIAO Nai-ren,WANG Jin-biao,LI Kun
School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University

As the poor initial regulation of the ground-source heat pump system,in order to ensure hydraulic balance, the design of the system is mainly with the reverse return mode now.Based on an engineering design,this paper puts forward a design scheme of direct return mode that increase pipe diameter to reduce the imbalance rate,and analyses the difference of reverse/direct return mode in ground-source heat pump system from first cost,operation cost and energy saving.Finally come to the conclusion and give a design reference range of the direct return mode in ground-source heat pump system.

ground-source heat pump,reverse/direct return mode,design，first cost,operation cost,energy saving

1003-0344（2015）03-096-4

2013-12-14

楊紹陽(yáng)（1991～），男，碩士研究生；山東省濟(jì)南市山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院（250101）；E-mail:273160439@qq.com