地埋管水平干管同/异程式设计分析

杨绍阳 刁乃仁 王金标 李昆

山东建筑大学热能工程学院

地埋管水平干管同/异程式设计分析

杨绍阳 刁乃仁 王金标 李昆

山东建筑大学热能工程学院

由于地埋管系统的初调节性较差，目前地埋管系统的设计还是以同程式为主，可以确保系统水力平衡。本文以某一工程的设计入手，提出加大水平干管管径以减小不平衡率的异程式设计方案，并从初投资、运行费用以及节能等角度分析地埋管的水平干管同程式以及异程式设计的差异。最后得出结论并给出一个地埋管水平干管异程式设计的参考范围值。

地埋管 同/异程式 设计 初投资 运行费用 节能

“地源热泵”的概念，最早在1912年由瑞士的专家提出，北欧国家主要用地源热泵系统进行采暖[1]。自引进中国后，由于其节能、环保等众多突出的优点，国家政策大力支持，地源热泵得以在国内迅速发展。随着地源热泵系统的规模越来越大，所需地埋管的孔数也是越来越多，从而导致了地埋管换热器管路复杂多变且管程较长。一个庞大复杂的工程通过合理的设计不仅可以保障系统运行稳定，而且可以有效地减少初投资和运行费用，帮助企业节省不必要的开支。由于没有系统的设计指南以及丰富可靠的经验，到目前为止，在地埋管设计中绝大多数的设计都以同程式为主，这也是出于为了能够保证系统可靠运行的目的[2]。但是使用同程系统容易导致初投资和运行费用的增高，不能够达到最优设计，所以，本文以某一工程设计为切入点，提出把地埋管水平干管的管径加大尺寸，在保证系统不平衡率小于15%的前提下，系统由原来的同程式改为异程式，从初投资以及运行费用等方面来系统地分析下地埋管水平干管同异程设计的差异。

1 地埋管水平干管同/异程式水力计算

本工程空调冷负荷约为2370kW，热负荷约为2100kW，地源热泵机组夏季空调供回水温度为7/12℃，地埋管侧进出水温度28/32℃；冬季空调供回水温度为45/40℃，地埋管侧进出水温度4/8℃。地埋管设计采用夏季空调冷负荷，每米孔深换热为60W/m，地埋管竖直管采用双U管，管径De32，水平管深度距自然路面标高1.5～2m，本工程布孔474个孔，6或4个钻孔组成一个水平环路，就近通过钢塑转换接头与分集水器相连接。分集水器之间由水平主干管连接。水平主干管管径小于等于DN250时采用无缝钢管。管径大于DN250采用螺旋焊接钢管。钢管安装前应除锈，外表面涂氢凝，后做聚氨酯发泡保温。

1.1 “末端”水力计算

“末端”指的是地埋管系统中从检查井到地埋管最低点供回水来回部分，这部分系统形式基本相同，差异不大，故阻力损失也相差不大，可以看做是一个固定值，如图1所示。地埋管采用高密度聚乙烯管PE100。管材公称压力为1.6MPa，工作温度应在3～40℃范围内。

图1 “末端”图

图1中的十三通和检查井可以看作分集水器，其阻力计算时按照沿程阻力的20%进行计算，在此以局部阻力系数进行代替，具体计算数据见表1。

表1 “末端”水力计算

经过计算，可以看出从检查井到埋管最低点一个来回的阻力损失大约为5.5～6.5m左右，在此后的计算中，取检查井之后的全部阻力损失为6m。可以发现，地埋管系统的沿程阻力中“末端”部分的阻力损失非常大，这为进行异程式设计提供了非常有利的条件。

1.2 同程式系统

同程式各并联环路的管长基本相等，阻力大致相同，水力稳定性较好，流量分配较均衡，可减少初次调整的困难，但由于系统长度增加，阻力增大，水泵的能耗增加，同时初投资相对较大。

同程式系统的水力计算时，一般情况下地埋管水平主干管平均比摩阻可按选用50～80Pa/m[3]。具体计算数据见表2。

图2 室外水平主干管同程式系统图

表2 室外水平主干管同程式水力计算

经过计算，室外水平主干管同程式系统沿程阻力损失约为7m水柱，且发现在地埋管系统中局部阻力所占比例较大，是不可忽视的部分。

1.3 异程系统

异程式的供、回水干管中的水流方向相反，每一环路的管路长不相等、管路简单、不需设回程管，节省管材。但由于各并联环路的管路总长度不等，各环路间存在阻力不平衡现象，导致水流量分配不均匀，因此，在水管设计时要采取一定的措施，如减小干管阻力、在各并联支管上安装流量调节装置以增大支管阻力等。异程式设计如图3所示。

图3 室外水平主干管异程式系统图

由于地埋管系统中检查井内供回水管上只设有蝶阀，而没有设置平衡阀，故无法较好地平衡压力调节流量，进行初调节很不方便，且通过调节阀门的开度来平衡压力是一种浪费行为。因此把管径加大一号，使地埋管水平主干管平均比摩阻控制在20～40Pa/m左右，保证系统的并联环路（不包括公共段）之间压力损失的相对差额在15%之内。

表3 室外水平主干管异程式水力计算

如图3所示，管段1和管段14是共用管路，15管段为最近端检查井的供回水管段，根据表3计算数据，则该系统的不平衡率为：η=(10534-1454)/(10534+ 60000)=12.9%。且室外水平主干管异程式系统沿程阻力损失约为1.9m水柱，与同程式系统相比，沿程阻力减小了5.1m水柱。

2 初投资和运行费用比较

不管是同程式还是异程式系统，“末端”部分的设计和施工都没有进行过多的变化，故只进行水平主干管的初投资分析。同时根据水力计算结果进行地埋管侧循环水泵的选型，比较两者的参数，分析节能潜力。

2.1 水平主干管初投资分析

地埋管水平主干管初投资主要包括了无缝钢管、螺旋焊管、成品弯头、发泡保温、安装措施费、水平沟开挖以及回填沙费用，其余零散的费用不再一一列出，具体如表4。

经过计算，可以很清晰地看出同程式水平主干管的初投资为30万元，而异程式水平主干管的初投资为20.5万元，比同程式节省了9.5万元，大概为1/3的比例。虽然异程式水平主干管的管径都加大了一号，但总的初投资还是比同程式要节省了不少。

表4 水平主干管初投资分析

2.2 水泵分析

以上的初投资分析只是水平主干管部分，并没有包括水泵，由于异程式沿程阻力小，水泵的扬程也会比同程式的小，则水泵的购买费用和能耗都会随之降低。由于冷热源机组型号相同，故取机组内阻力为7m水柱，同样回水过滤器的阻力都取4m水柱，该系统较小，没有在机房设置分集水器，故水泵的扬程应为：冷热源机组阻力+回水过滤器阻力+地埋管环路阻力+富裕水头[4]。则，同程式：7+4+(7+6)+5=29m；异程式：7+4+(1.9+6)+5=23.9m。

地埋管中循环液流量的确定：

地埋管侧夏天冷却水供回水温度为28/32℃；冬天冷冻水供回水温度4/8℃，循环液的温差都为4℃。流量根据式（1）进行计算：

式中：Qz为地热换热器最大释热量，kW。

Qz=2844kW，则计算得地源侧循环液的总流量G= 609.4m3/h。

选择水泵三台，两用一备。水泵并联运行时，流量有所衰减；当并联台数为2台时，每台水泵与单台泵运行比较流量的减少5%，即，每台水泵的流量应为320.5m3/h。水泵型号见表5。

表5 水泵型号

可以看出异程式地埋管侧循环水泵的电机功率要比同程式的小7kW，总共为14kW，考虑到不管是同程式还是异程式系统的使用时间是一样的，那么功率乘以时间，则得出节能7/37=18.9%。

3 总结

1）虽然人为地把管径加大一号，使地埋管水平主干管平均比摩阻由原来的 50～80Pa/m减小为20～40Pa/m左右，但经过具体分析比较，异程式设计的初投资要比同程式的降低了1/3左右，有较好的经济效益。

2）在大型空调系统中，水泵所耗的电能占整个系统耗电量的25%以上，所以水系统的节能手段是建筑节能的一个重要方面[5]。由于异程式管路简单，系统的沿程阻力较小，水泵可以选择较小的扬程，配套电机的功率减小，则降低了运行费用，达到了节能的目的，节能率为18.9%。

3）经过多次计算，发现在一般情况下，若此水平主干管所承载的空调冷负荷控制在2500kW以内时，可以考虑使用异程式系统，大约在此范围内，不平衡率可以控制在15%，超过此冷负荷后可使用同程式系统。

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

[2]丁勇,李百战,卢军,等.地源热泵系统地下埋管换热器设计(2) [J].暖通空调,2005,(11):76-79

[3]贺平,孙刚.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1993

[4]董哲生.空调水系统阻力计算及水泵选型若干问题[J].暖通空调,2006,(9):45-47

[5]付正刚,唐军.中央空调水系统节能分析[J].现代机械,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

杨绍阳（1991～），男，硕士研究生；山东省济南市山东建筑大学热能工程学院（250101）；E-mail:273160439@qq.com