地源热泵地埋管设计说明

地源热泵地埋部分设计一、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℃围。

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，可加大循环水与间温差传热，然而的温度是不变的，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。

市年平均气温是12.2℃，实测市地下约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，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，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：kW （1）kW （2）其中——夏季向土壤排放的热量，kW——夏季设计总冷负荷，kW——冬季从土壤吸收的热量，kW——冬季设计总热负荷，kW——设计工况下水源热泵机组的制冷系数——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，mQ ——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），具体计算公式如下：（3）其中——竖井埋管总长，m——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[2]，设计者可以在此围选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:（4）其中——竖井总数，个——竖井埋管总长，m——竖井深度，m分母“2”是考虑到竖井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[3]，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[4]。

若采用串联连接方式，可采用三角形布置（详见[2]）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保持紊流以保证流体与管道壁之间的传热。

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，管流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管流速控制在 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•t③ 最小管流速（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：其中——管路最大压力，Pa——建筑物所在的当地大气压，Pa——地下埋管中流体密度，kg/m3——当地重力加速度，m/s2——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m——水泵扬程，Pa3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．设计参数某复式住宅空调面积212m2。

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、室设计参数夏季室温度tn＝27℃, 相对湿度φn＝55％冬季室温度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WPWD072型水源热泵机组2台，本设计举例工况下的＝3.3，＝3.7。