地埋管水平干管同/異程式設計分析

楊紹陽 刁乃仁 王金標 李昆

山東建筑大學熱能工程學院

地埋管水平干管同/異程式設計分析

楊紹陽 刁乃仁 王金標 李昆

山東建筑大學熱能工程學院

由于地埋管系統的初調節性較差，目前地埋管系統的設計還是以同程式為主，可以確保系統水力平衡。本文以某一工程的設計入手，提出加大水平干管管徑以減小不平衡率的異程式設計方案，并從初投資、運行費用以及節能等角度分析地埋管的水平干管同程式以及異程式設計的差異。最后得出結論并給出一個地埋管水平干管異程式設計的參考范圍值。

地埋管 同/異程式 設計 初投資 運行費用 節能

“地源熱泵”的概念，最早在1912年由瑞士的專家提出，北歐國家主要用地源熱泵系統進行采暖[1]。自引進中國后，由于其節能、環保等眾多突出的優點，國家政策大力支持，地源熱泵得以在國內迅速發展。隨著地源熱泵系統的規模越來越大，所需地埋管的孔數也是越來越多，從而導致了地埋管換熱器管路復雜多變且管程較長。一個龐大復雜的工程通過合理的設計不僅可以保障系統運行穩定，而且可以有效地減少初投資和運行費用，幫助企業節省不必要的開支。由于沒有系統的設計指南以及豐富可靠的經驗，到目前為止，在地埋管設計中絕大多數的設計都以同程式為主，這也是出于為了能夠保證系統可靠運行的目的[2]。但是使用同程系統容易導致初投資和運行費用的增高，不能夠達到最優設計，所以，本文以某一工程設計為切入點，提出把地埋管水平干管的管徑加大尺寸，在保證系統不平衡率小于15%的前提下，系統由原來的同程式改為異程式，從初投資以及運行費用等方面來系統地分析下地埋管水平干管同異程設計的差異。

1 地埋管水平干管同/異程式水力計算

本工程空調冷負荷約為2370kW，熱負荷約為2100kW，地源熱泵機組夏季空調供回水溫度為7/12℃，地埋管側進出水溫度28/32℃；冬季空調供回水溫度為45/40℃，地埋管側進出水溫度4/8℃。地埋管設計采用夏季空調冷負荷，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高1.5～2m，本工程布孔474個孔，6或4個鉆孔組成一個水平環路，就近通過鋼塑轉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時采用無縫鋼管。管徑大于DN250采用螺旋焊接鋼管。鋼管安裝前應除銹，外表面涂氫凝，后做聚氨酯發泡保溫。

1.1 “末端”水力計算

“末端”指的是地埋管系統中從檢查井到地埋管最低點供回水來回部分，這部分系統形式基本相同，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，工作溫度應在3～40℃范圍內。

圖1 “末端”圖

圖1中的十三通和檢查井可以看作分集水器，其阻力計算時按照沿程阻力的20%進行計算，在此以局部阻力系數進行代替，具體計算數據見表1。

表1 “末端”水力計算

經過計算，可以看出從檢查井到埋管最低點一個來回的阻力損失大約為5.5～6.5m左右，在此后的計算中，取檢查井之后的全部阻力損失為6m。可以發現，地埋管系統的沿程阻力中“末端”部分的阻力損失非常大，這為進行異程式設計提供了非常有利的條件。

1.2 同程式系統

同程式各并聯環路的管長基本相等，阻力大致相同，水力穩定性較好，流量分配較均衡，可減少初次調整的困難，但由于系統長度增加，阻力增大，水泵的能耗增加，同時初投資相對較大。

同程式系統的水力計算時，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]。具體計算數據見表2。

圖2 室外水平主干管同程式系統圖

表2 室外水平主干管同程式水力計算

經過計算，室外水平主干管同程式系統沿程阻力損失約為7m水柱，且發現在地埋管系統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

異程式的供、回水干管中的水流方向相反，每一環路的管路長不相等、管路簡單、不需設回程管，節省管材。但由于各并聯環路的管路總長度不等，各環路間存在阻力不平衡現象，導致水流量分配不均勻，因此，在水管設計時要采取一定的措施，如減小干管阻力、在各并聯支管上安裝流量調節裝置以增大支管阻力等。異程式設計如圖3所示。

圖3 室外水平主干管異程式系統圖

由于地埋管系統中檢查井內供回水管上只設有蝶閥，而沒有設置平衡閥，故無法較好地平衡壓力調節流量，進行初調節很不方便，且通過調節閥門的開度來平衡壓力是一種浪費行為。因此把管徑加大一號，使地埋管水平主干管平均比摩阻控制在20～40Pa/m左右，保證系統的并聯環路（不包括公共段）之間壓力損失的相對差額在15%之內。

表3 室外水平主干管異程式水力計算

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，根據表3計算數據，則該系統的不平衡率為：η=(10534-1454)/(10534+ 60000)=12.9%。且室外水平主干管異程式系統沿程阻力損失約為1.9m水柱，與同程式系統相比，沿程阻力減小了5.1m水柱。

2 初投資和運行費用比較

不管是同程式還是異程式系統，“末端”部分的設計和施工都沒有進行過多的變化，故只進行水平主干管的初投資分析。同時根據水力計算結果進行地埋管側循環水泵的選型，比較兩者的參數，分析節能潛力。

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縫鋼管、螺旋焊管、成品彎頭、發泡保溫、安裝措施費、水平溝開挖以及回填沙費用，其余零散的費用不再一一列出，具體如表4。

經過計算，可以很清晰地看出同程式水平主干管的初投資為30萬元，而異程式水平主干管的初投資為20.5萬元，比同程式節省了9.5萬元，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，但總的初投資還是比同程式要節省了不少。

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，水泵的揚程也會比同程式的小，則水泵的購買費用和能耗都會隨之降低。由于冷熱源機組型號相同，故取機組內阻力為7m水柱，同樣回水過濾器的阻力都取4m水柱，該系統較小，沒有在機房設置分集水器，故水泵的揚程應為：冷熱源機組阻力+回水過濾器阻力+地埋管環路阻力+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。

地埋管中循環液流量的確定：

地埋管側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℃，循環液的溫差都為4℃。流量根據式（1）進行計算：

式中：Qz為地熱換熱器最大釋熱量，kW。

Qz=2844kW，則計算得地源側循環液的總流量G= 609.4m3/h。

選擇水泵三臺，兩用一備。水泵并聯運行時，流量有所衰減；當并聯臺數為2臺時，每臺水泵與單臺泵運行比較流量的減少5%，即，每臺水泵的流量應為320.5m3/h。水泵型號見表5。

表5 水泵型號

可以看出異程式地埋管側循環水泵的電機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的使用時間是一樣的，那么功率乘以時間，則得出節能7/37=18.9%。

3 總結

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

2）在大型空調系統中，水泵所耗的電能占整個系統耗電量的25%以上，所以水系統的節能手段是建筑節能的一個重要方面[5]。由于異程式管路簡單，系統的沿程阻力較小，水泵可以選擇較小的揚程，配套電機的功率減小，則降低了運行費用，達到了節能的目的，節能率為18.9%。

3）經過多次計算，發現在一般情況下，若此水平主干管所承載的空調冷負荷控制在2500kW以內時，可以考慮使用異程式系統，大約在此范圍內，不平衡率可以控制在15%，超過此冷負荷后可使用同程式系統。

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

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

[3]賀平,孫剛.供熱工程[M].北京:中國建筑工業出版社,1993

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

[5]付正剛,唐軍.中央空調水系統節能分析[J].現代機械,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（1991～），男，碩士研究生；山東省濟南市山東建筑大學熱能工程學院（250101）；E-mail:273160439@qq.com