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换热器管长计算及平面布置

　　地源热泵实验基地地下管群换热器换热量为 8000w ，根据前期夏季的实验结果 [1] ，地下岩土为砂岩，经测试及查阅有关文献，砂岩密度 2500kg/m3 ，导热系数λ =2.04W/(m.K) 导温系数 a=0.0033 m2/h ，蓄热系数 s=34.89W/(m.K) ，在埋深 10m 的情况下，单根套管换热器 ( 外管直径 90-100mm) 在夏季稳定情况下的平均传热系数 ( 其定义为换热器内水与大地初始温度每相差 1 ℃时，通过长度 1m 的钻孔，每秒钟传递的热量 )k=3.26W/(m.K) 左右，经测试计算，地下 1-10m 重庆地区夏季的大地原始温度为 21.0 ℃，换热器内进出水温度取 35-40 ℃，平均水温 tp=37.5 ℃。则单位长度钻孔的换热量 q=K ×Δ t=3.14 × (37.5-21.0)=51.8W/m 。与实测值 49w/m 非常接近。由于夏热冬冷地区热泵设计应以夏季降温为主，兼顾冬季供暖，而一般地下管群的传热量冬季大于夏季，因此夏季能满足要求，冬季一般也能达到要求，故本装置按夏季工况设计。

　　地下管群换热量根据如上实验结果，设计了 15 根埋深 10m 的套管，其换热量在 7742W 左右。另外，为了研究地下水平埋管换热器的换热规律还建设了两层 3 × 4m ，埋深 2 和 1m 的水平蛇形管换热器，其埋管长度为 50m 。

　　任何形式的换热器都对换热器之间的距离有一定的要求，这个距离主要是避免热短路。而具体确定这个距离要考虑多方面的影响因素，最重要的是确定换热器的运行时间对于竖埋管换热而言，换热模型是以埋管为中心的圆柱面辐射状向外传热，且这种传热是以时间为坐标的不稳定传热。

　　前期实验我们已经对影响单根竖管的换热距离作了一定的研究，一般影响单管换热距离为 1.5 和 3m 。短时间和间歇运行的换热管间距在 1.5m 较适合，长时间连续运行的间距在 3m 较适合。为了研究不同间距对管群换热的影响该实验基地的埋管间距为 1.5m ，利用阀门的切换来研究不同间距对换热的影响。埋管对称布置，其平面如图 3 所示 :

水环路系统设计

　　研定平面布置后，即可进行水系统设计。对于每一支管沟的三个孔，由于管道水平距离较近，因此考虑为串联式，全系统有五组串联支路，五组串联支路之间采用并联形式，组成同程式管道系统，每组串联换热进出口均设截止阀与主管连接，以便单独对串联支路进行实验和调节。主管道安装在 断面为 400 × 500mm 的主管沟里。

供水主管进入室内后接水泵，板式换热器和空调器，膨胀水箱置于室内，构成一个水 - 空气热泵系统。在竖直埋管换热器的水进入板式换热器之前，还设计了一个可进入地板下平行管的并联环路，以供冷热地板实验用。系统连接见图 4 。

　施工方法

　　地源热泵地下管群换热器施工一般可按下列步骤进行。

6.1 　施工前的准备工作

施工前应对埋管场地的工程地质状况和地质剖面图进行研究，以确定钻机型式和埋管布局，还应对地面进行清理，即清除地面杂草和杂物，并铲除地表浮土。清理地面后要对埋管位置进行放线，根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各管道的标高。主管沟的具体位置和尺寸确定后， 即可进行开挖。在主管沟末端要挖一个泥浆池，钻孔过程中产生的泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积

6.2 　钻孔及安装套管

当做好管道沟和泥浆池后，要接通水源和电源。开钻之前还要在钻孔位置上挖出一个 20cm 深 2 倍钻孔孔径的小坑，然后就可以施钻了。

经验表明，有两个问题必须注意 : 其一，施钻完毕钻孔内有大量积水，水的浮力使安放套管有一定的困难，其二，由于钻孔中的泥沙沉积，设计钻孔深度和实际深度可能不一致而影响套管安装。为此，换热器的组装应和钻孔相配合，即每钻完一孔前，套管必须组装好，施钻完毕应尽快将套管放入钻孔中，并立即将水充满套管，以防孔内积水使套管脱离孔底上浮，达不到预定埋设深度。

6.3 　管件及管道的连接方法

管道连接有焊接、承插和活接头三种方法。对于埋深不大或场地允许时，应在地面把套管连接好，然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接，一定注意在活性胶干了之后才能使用。活接头连接，优点是比较灵活方便，但造价较高。一般的管道和套管中的内管，可采用活接头连接以利于今后的 检修。

由于该项目是实验性质的，因此在套管放入钻孔以前，套管外放置了一定数量的热电偶。方法是在安放热电偶的地方用细砂布把 PVC 管打磨干净，然后把热电偶紧贴管壁，涂上硬聚乙烯粘结剂，硬化后用防水绝缘带固定，外面再用透明胶带将其裹紧。

套管入下去后，将准备好的套头 ( 含进、出水管接头 ) 套在套管上，套头结构形式如图 5 所示。

6.4 　施工中的几点体会

(1) 对于壁厚≤ 3.5mm 的塑料管，不宜采用焊接，应该使用活接头或承插连接。埋管深度 >10m 的套管，使用活接头连接方法较好。

(2) 对于壁厚 >3.5mm 的塑料管，宜采用焊接或采用活接头连接。

(3) 支管沟应在钻孔钻完后再开挖。

(4) 由于套头上面的进出水管采用活接头连接，此处压力较大，因此在试压中一定要注意检查此处是否漏水。

(5) 若换热器内管长度 <10m ，宜放入整条没有接头的管子 ; 若 >10m ，则需采用承插或活接头方式进行连接。

(6) 泥浆池收集钻孔过程中产生的泥浆，经沉淀后是一种较好的回填物。

(7) 由于套管与钻孔之间存在缝隙，必须回填一些传热系数较高的物质。本实验采用钻孔过程产生的泥浆回填，回填中必须慢慢地间断地进行，以确保钻孔壁与管壁之间用回填物充满，确保其传热效果。

楼上的好专业啊，我刚好要用到，谢谢

我们这里正准备采用地源热泵系统呢,真是一场及时雨呀!!!!

多谢 jswgq-55 ，有什么好的资料请继续上传，受益匪浅。

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