技术帖丨地源热泵地埋管设计

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（一）管材选择及流体介质

一、管材　

一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，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）在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。

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，因此在地源热泵系统中不推荐用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酒精水溶液等）。　　

埋管水温：

1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，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 <37℃，与冷却塔进水温度相同。

2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。

当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。　　

地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。　

回填材料 　　

可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。

（二）埋管系统环路

一、埋管方式

1、水平埋管 　

水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m）

近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。

2 、垂直埋管 　

根据埋管形式的不同，一般有单U 形管，双U 形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。

1）U 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、地下埋管系统环路方式

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由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；

③安装劳动成本增大；

④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。

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种。

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）地下埋管系统设计

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*(1-1/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。

　　然后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

注意事项

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。　　

备注：

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 地下埋管系统单位冷吨（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系统最高点的高度差，m

Ph——水泵扬程，Pa

3其它

3.1与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（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212平方米。

1、室外设计参数 　

夏季室外干球温度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*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=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=1148m

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4m。