藩国高层采暖系统中的压力问题

高层采暖系统中的压力问题！

随着国家经济的飞速发展，人们生活水平的不断提高，城市化进程的加快，南方对采暖的需求越来越大。除了最常用的分户供暖外，现在南方也出现了许多集中供暖的案例，但是南方由于对采暖的使用历史短，许多经销商或者代理商在处理高层采暖的项目时往往不知道如何处理？尤其在前几年出现过二十几层的楼层暖气片或者地暖管道大量爆裂的案例。今天就跟大家聊一聊高层采暖中的竖向分区。

1.采暖中散热器或者地暖所承受的压力。

散热器所承受压力=动压+静压。动压是由水泵的动力所致，而静压是由于采暖中的最高点和最低点的高差所导致。

在分户采暖中，的运行压力通常为0.3公斤，作为静压即使是别墅，最底层的静压也通常不超过1公斤，所以对采暖末端设备而言没有任何问题。

而在集中供暖中，尤其是高层，假如的运行压力（动压）为3公斤，楼层20层高度为60米，则静压为6公斤，通常散热器（或地暖）所承受的最大压力不超过8公斤，而本中底层散热器（或地暖）承受的总压力为9公斤，已经超出了承受的极限，散热器（或地暖）将会爆裂。

2.高层散热器（或地暖）的压力解决方案。

1竖向分区。

采暖通风与空气调节设计规范GB第4.3.9条规定：建筑物的热水采暖高度超过50m时，宜竖向分区设置 作出本规定的目的是：减小散热器、埋地加热管以及室内采暖其它附件所承受的压力，保证安全运行。

误区：认为竖向分环就是竖向分区。

案例2001年前后，武汉市的一些住宅小区开始设计集中采暖，成为当地商品房的新卖点。位于汉口的某小区C栋，建筑面积21312㎡，地下1层为汽车库，地上24层为住宅。设计人员根据热水采暖高度超过50m的建筑，采暖应进行竖向分区的规定，将采暖分为上、下两个环路，每环路水高度不超过50m。由于没有按不同工作压力进行竖向分区，两个环路共用同一热，是同一个工作压力，低区最但银行业一家独大、制造业空心化现象愈趋严重。中国企业研究院首席研究员李锦认为底层散热器的承压仍然超过0.8MPa。

我们知道，这样的划分，虽然两个环路各自的最高层和最底层的几何高差都不到50m，但实际上低区的最底层上面的几何高差包括了高区的高度，低区最底层散热器的工作压力远远超过了散热器所能承受的压力，这种分环”做法属于基本原理的错误。因此，竖向分环”并不是竖向分区，竖向分区应按不同的工作压力进行，高区的工作压力大，低区的工作压力小，应各自配置不同的循环水泵，高区水泵的扬程大于低区水泵的扬程，不能认为同一工作压力的输水中分两个环路就是形成竖向分区。

实际工程中一般的分区方法是：建筑层数9～11层及以下的不进行分区，建筑层数20层左右的，分为低区和高区，建筑层数32层左右的，分为低区、中区和高区。这样的竖向分区，每一个区段中，最高层和最低层的几何高差都在40m以内，是偏于安全的。对采暖进行竖向分区后，室外热力也必须对应分别设置，即每一分区应有一组对应的供回水管来自锅炉房或换热站，这样，外和单元入口的管道数量就由一供一回的两根变成两供两回的四根或三供三回的六根。

2直连采暖技术。

为了解决采暖竖向分区后出现的室外管数量、锅炉房或换热站面积及建筑成本增加的问题，从上世纪末期开始出现高层建筑直连供暖技术，提出了采用一套装置和一供一回双管来供中区、高区的技术问题。即共用低区压力的管，在小区或单元热力入口处设置增压装置，靠增压水泵将低压的外水送到中区或高区，在中区或高区产生循环。但是，增压后中区或高区的压力比低区的高，其回水并入低区管时，同样会造成压力问题。通常做法是带减压阀直接将回水进行减压的高层建筑直连采暖装置。

地源热泵地埋管部分设计。

一管材选择及流体介质。

一、管材。

一般来讲，一旦将地下埋管换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。

1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵中得到了广泛应用。

2、PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵中不推荐用PVC 管。

3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。

4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。

5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。

6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。

二、连接。

1、热熔联接承接联接和对接联接，对于小管径常采用。

2、电熔联结。

三、流体介质及回填料。

流体介质。

南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体。

北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。

①盐类溶液—氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒溶液等

埋管水温：

1、热泵机组夏季向末端供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应 80m）

1U 形管型：是在钻孔的管井内安装U 形管，一般管井直径为100～150mm，井深10~200m，U 形管径一般在φ50mm以下。

2套管式换热器：的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。其换热效率较U 形管提高16.7%。缺点：⑴下管比较困难，初投资比U 形管高。⑵在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m 的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。

二、地下埋管环路方式。

1、串联方式。

优点：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出。

②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高。

缺点：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高。

②由于管径大，在冬季气温低地区，内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多。

③安装劳动成本增大。

④管路不能太长，否则阻力损失太大。

2、并联方式。

优点：①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低。

②所需防冻液少。

③安装劳动成本低。

缺点：

①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气。

②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%）以保证每个并联回路有相同的流量。

③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。

从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多。

三、地埋管打孔孔径。

孔径：

根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。

三地下埋管设计。

一．地下换热量计算。

地下换热量可以由下述公式计算：

Q1= Q1*1+1/COP1 kW 1。

Q2= Q2*/COP2 kW 2。

其中Q1—夏季向土壤排放的热量，kW。

Q1—夏季设计总冷负荷，kW。

Q2—冬季从土壤吸收的热量，kW。

Q2—冬季设计总热负荷，kW。

COP1—设计工况下水源热泵机组的制冷系数。

COP2—设计工况下水源热泵机组的供热系数。

一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。

二、地下热交换设计。

1.水平埋管：

确定管沟数目：

埋管管长的估算：利用管材换热能力”即单位埋管管长的换热量。水平埋管单位管材换热能力”在20～40W/m（管长）左右，设计时可取换热能力的下限值，即20 W/m。

单沟单管埋管总长具体计算公式如下： L=Q/20。

其中L —埋管总长，m。

Q —冬季从土壤取出的热量，w。

分母20是每m 管长冬季从土壤取出的热量，W/m。

单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的热干扰系数（热协调系数）

确定管沟间距：

为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关。

建议串联每沟1 管，管径1/4“2”串联每沟2 管， 1 又1/4“1 又1/2”并联每沟2 管， 1“1 又1/4”并联每沟4～6 管，管径13/4“1”

管沟间距：每沟1 管的间距1.2m，每沟2 管的间距1.8m，每沟4 管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。

2、竖直埋管。

确定竖井埋管管长：

一般垂直单U 形管埋管的换热能力为60～80 W/m（井深）垂直双U 形管为80～100W/m（井深）左右，设计时可取换热能力的下限值。

一般垂直埋管为70～110W/m（井深）或35～55W/m（管长）水平埋管为20～40W/m（管长）左右。

设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长）双U管设计具体计算公式如下：

L=Q1/25 3。

其中 L—竖井埋管总长，m。

Q1—夏季向土壤排放的热量， W。

分母35是夏季每m管长散热量，W/m。

确定竖井数目及间距。

国外，竖井深度多数采用50～100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目：

N=L/4*H 4。

其中 N—竖井总数，个。

L—竖井埋管总长，m。

H—竖井深度，m。

分母2是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。

对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。

关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m。若采用串联连接方式，可采用三角形布置来节约占地面积。

工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m。

1、垂直地埋管换热器埋管深度应大于30m，宜为60m～150m；钻孔间距宜为3m～6m。水平管埋深应不小于1.2m。

2、地埋管换热器水平干管坡度宜为0.3%，不应小于0.2%。

3、地埋管环路之间应并联且同程布置，两端应分别与供、回水管路集管相连接。每个环路集管连接的环路数宜相同。

4、地埋管换热器宜靠近机房或以机房为中心设置。铺设供、回水集管的管沟宜分开布置；供、回水集管的间距不应小于0.6m。

三、管径与流速设计。

1、确定管径。

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：

1管道要大到足够保持最小输送功率。

2管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。

显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下。

① 地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m 为好，最大不超过50kPa/100m。同时应使管内流动处于紊流过渡区。

② 地下埋管单位冷吨（1 冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s．t。

③ 最小管内流速（流量）在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。所以采用CaCl2 和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。

2、校核管材承压能力。

管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和【1】即：

P=P0+ρgH+0.5Ph。

其中 p—管路最大压力，Pa。

P0—建筑物所在的当地大气压，Pa。

ρ—地下埋管中流体密度，kg/m3。

g—当地重力加速度，m/s2。

H—地下埋管最低点与闭式循环最高点的高度差，m。

Ph—水泵扬程，Pa。

3其它。

与常规空调类似，需在高于闭式循环最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。

四设计举例。

一．设计参数。

上海某复式住宅空调面积212m2。

1、室外设计参数。

夏季室外干6543页游戏《帝国文明》赚钱秘诀球温度tw＝34℃， 湿球温度ts＝28.2℃。

冬季室外干球温度tw＝-4℃， 相对湿度φ＝75％

2、室内设计参数。

夏季室内温度tn＝27℃， 相对湿度φn＝55％

冬季室内温度tn＝20℃， 相对湿度φn＝45％

二．计算空调负荷及选择主要设备。

1、参考常规空调建筑物冷热负荷的计算方法，计算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数（取0.8）得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择NOBO SI20TR型地源源热泵机组1台，本设计举例工况下的 COP1＝5.9， COP2＝4.2。

2、计算地下负荷。

根据公式（1）（2）计算得。

Q1= Q1*（1+1/COP1）=24.54*（1+1/5.9）=28.7kW。

Q2=Q2*（/COP2）=16.38*（/4.2）=12.48kW。

取夏季向土壤排放的热量进行设计计算。

3、确定管材及埋管管径。

选用聚乙烯管材PE63（SDR11）并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25、DN32、DN40、DN50。

4、确定竖井埋管管长。

根据公式（3）计算得。

L=28.7*1000/25=1148 m。

5、确定竖井数目及间距。

选取竖井深度50m，根据公式（4）计算得。

N=L/（4*H）=5.74 个。

圆整后取 6 个竖井，竖井间距取 4 m。

6、计算地埋管压力损失。

参照本文2.6介绍的计算方法，分别计算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10─11─11′－1′各管段的压力损失，得到各管段总压力损失为40kPa。再加上连接到热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，所选水泵扬程为15mH2O。

7、校核管材承压能力。

南京夏季大气压力 P0＝100250 Pa。水的密度ρ＝1000 kg/m3。

当地重力加速度 g＝9.8 m/s2， 高度差 H＝50.5 m。

重力作用静压ρgH＝494900 Pa。

水泵扬程一半 0.5Ph＝7.5 mH2O＝73529 Pa。

因此，管路最大压力 P=P0+ρgH+0.5Ph＝673550Pa约0.7Mpa。

聚乙烯PE-100额定承压能力为1.6MPa，管材完全满足设计要求。

本文相关词条概念解析：

采暖系统

采暖系统是为了维持室内所需要的温度，必须向室内供给相应的热量，这种向室内供给热量的工程设备，分为电地暖和水地暖。电动采暖供热系统所消耗的能量是电。水地暖是以热水为热媒，在加热管内循环流动加热地板或者暖气片，通过地面辐射传热向室内供热的方式。他具有强大的家庭供暖功能，通过地暖系统能够满足多居室的采暖要求，各个房间能够依据需求，随意的设定温度，并且能够供应大流量恒温的生活热水。

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