地埋管换热器计算方法
竖直地埋管换热器热阻的数值计算及分析
竖直地埋管换热器热阻的数值计算及分析竖直地埋管换热器热阻的数值计算及分析摘要利用岩土热响应测试数据，根据《地源热泵系统工程技术规范》对竖直埋管换热器的热阻计算公式进行了数值计算，对各换热热阻对换热器性能的影响进行了分析。
计算和分析对于指导地埋管换热器设计与施工具有一定的参考价值。
关键词地层热阻热响应测试地埋管换热器Thermal resistance calculation on vertical ground heat exchangerLi Jinghui1Wang Jiankui2 Lu Lin2 Fang Xugen11 Zhejiang Construction Division Building Energy Technology Co., Ltd.2 Zhejiang Academy of Building Research & Design.ltdAbstract: Using the data of grock-soil thermal response test, andaccordingto , this paper presents the numericalcalculati onofthe vertical ground heat exchanger’s thermal resistance calculation formula,andalso analyzeshow heat exchanger resistance affect the performance of heat exchanger. The calculation and analysis have a certain reference valueinguidingthe design and construction of ground heat exchanger.Key word: ground heat resistance，heat responsetest，ground heat exchanger0 引言地层热阻是决定土壤源热泵合理设计和科学应用的核心因素，是影响地下埋管换热器传热性能及土壤源热泵系统节能与经济性的重要原因。
地源热泵空调竖直埋管换热器计算方法
最大工况温度（制冷） 最大工况温度（制冷）℃ 30 最小工况温度（制热） 最小工况温度（制热）℃ 3
℃ 15
2.本地区土壤检测情况（一般土壤） 2.本地区土壤检测情况（一般土壤）
一般土壤：干土壤比热为0.837KJ/kg•K 埋管管材外径 mm 32
ห้องสมุดไป่ตู้
3. 3.管材参数
埋管管材导热率 埋管管材厚度 竖直埋管换热器深度 单孔竖直埋管数量 最热月平均每日运行时间
4. 4.竖直埋管换热器设计规范
竖直埋管换热器之间间距 最冷月平均每日运行时间 M h 制热时 制热时 5 12
竖直埋管总长( 竖直埋管总长(M) 竖直埋管换热器数量( 竖直埋管换热器数量(座）
地源热泵竖直埋管换热器计算器
1. 1.地源热泵空调参数
地源热泵制冷量（KW） 地源热泵制冷量（KW） 6000 地源热泵制热量（KW） 地源热泵制热量（KW） 6000
土壤平均导热率 土壤平均含水量 W/M℃ ﹪ W/M℃ mm M 根 h
地源热泵制冷功率（KW） 地源热泵制冷功率（KW） 138 地源热泵制热功率（KW） 地源热泵制热功率（KW） 173
390019 975
462822 1157
地源热泵竖直埋管换热器计算器:1.计算器内土壤平均导热率为天津某地区 2.计算器参数埋管管材为PE100
套管式地埋管换热器温度分布及换热性能计算
管间均存在热短路现象，但外进内出流动方式的热短路现象更加明显。增大内管壁热导率，使两种
流动方式的热短路现象明显增强。增大外管壁热导率，有利于改善两种流动方式的热短路情况。
其他参数不变的情况下，换热器进出口循环水温差、能效、换热流量均随钻孔深度的增大而增大。
其他参数不变的情况下，换热器进出口循环水温差随循环水质量流量的增大而逐渐降低; 能效随循
1 概述
地热能开发前景十分广阔，是 21 世纪能源发展 中不可忽视的可再生能源之一［1 － 2］。目前，浅层地 热能的利用以地埋管地源热泵技术为主，将储存在 浅层地层中的低品位热能转化为高品位热能，通过 风机盘管、地面辐射等末端装置，满足学校、医院、体 育馆、写 字 楼、住 宅、别 墅 等 建 筑 的 供 暖 和 供 冷 需 求［3 － 4］。地埋管换热器一般采用 U 形地埋管换热
·K)
λp1 ———外管壁的热导率，W / ( m·K) r1o ———外管的外半径，m λb———回填材料的热导率，W / ( m·K) r b ———钻孔半径，m Ｒ2 ———内管循环水与外管循环水间的单位长
度热阻，m·K / W
r2i ———内管的内半径，m h2i ———内管内壁面表面传热系数，W / ( m2 ·
摘 要: 在设定钻孔壁温度均匀且不随时间改变的前提下，建立两种循环水流动方式下( 外
进内出: 循环水由外管流进，内管流出; 内进外出: 循环水由内管流进，外管流出) 的套管式地埋管
换热器( 以下简称换热器) 稳态换热模型，采用解析法计算环形流道、内管循环水沿程温度。将换
热器能效、换热流量作为评价指标，分析换热器换热能力的影响因素。在供冷工况下，得到以下结
图 1 套管式换热器结构( 外进内出)
地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定_secret
b
t(rb ,
)－t0＝
ql 4
I ( rb2 4a
)
（2）
式中 I (x) 分；t0
为大地初始温度；ql
为线热源提供的恒定热流；
a 为土壤的导温系数。
孔壁 rb处的过余温度为
b
t(rb ,
)－t0＝
ql 4
I ( rb2 4a
)
（3）
根据能量守恒方程，联立式（1）～（3），用 MATLAB 编程即可以求出单位管长每一天
土壤源热泵 98.16 14.72 10.8 15 138.68
注：初投资中未包括土壤源热泵地下换热器的投资。
（万元）
空气源热泵 166 24.9 0 16
206.9
地下换热器的投资费用可以按 80 元/米井深来计算，不同的地下换热器夏季出口温度
对应的土壤源热泵总投资见表 2。
5.2 运行成本的比较
0
2
4
6
8
10
地热换热器设计出口温度（℃）
图 4 冬季埋管长度百分比
夏季耗电量（kwh）
4.5
4
3.5
3
2.525
30
35
40
45
地热换热器设计出口温度（℃）
换热器设计出口温度（℃） 图 5 夏季耗电量与出口温度的关系
由于上海地区的夏季冷负荷远远大于冬季的热负荷，地下换热器的设计是根据夏季冷
负荷来选定的。当地下换热器的夏季出口温度选定的时候，压缩机的型号就能确定下来，
40
60
80
100
运行天数（天）
图 2 冬季单位管长换热量
埋管长度百分比（%）
100 90 80 70 60 50 40 26 28 30 32 34 36 38 40 42
地埋管热阻计算方法
垂直单U 型埋管内流体至井壁总热阻 在忽略轴向导热的条件下，如图3.14所示：图3.14 垂直单U 管井水平截面图如果U 型管的两根支管单位长度的热流分别为q 1与q 2，两支管内流体温度分别为T f 1与T f 2，根据线性叠加原理，所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产生的过余温度场的叠加。
如果取钻孔壁的平均温度T b 为过余温度的零点，则有111122f b T T R q R q -=+ 212122f b T T R q R q -=+其中：R 1和R 2分别为两支管内流体至井壁间的热阻，而R 12是两根管子之间的热阻。
对于实际工程，钻孔中的U 型埋管在结构上通常可以假设是对称的，因此有R 1=R 2，又由于没有考虑两支管内流体沿深度方向的变化，无法分析T f 1和T f 2及q 1和q 2的区别，因此只能作进一步的简化假设：T f 1=T f 2= T f ，q 1=q 2=q l /2，以减少未知量的个数，其中T f 为埋管内流体的平均温度，q l 为单位长度U 型埋管总的传热量。
根据文献[6]推导公式得：21222212221ln ln 21ln ln 211ln 2b b sb p b o b s b b b s b b b s b op p i i d d R R R d d D d d R D d D dR d d hλλπλλλλλπλλλπλπ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-==+⋅+⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-⎛⎫=+⋅⎢⎥ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎛⎫=⋅+⎪⎝⎭则埋管内流体至井壁总热阻为：4440.80.41111ln ln ln ln 2220.023Re Pr Re b b b sb o b b o b s b p i i fluidiid d d d R d D d D d d h Nu h d Nu v d λλπλλλπλπλν⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⎪⎪⎛⎫=++⋅+⋅+⎨⎬⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⋅==⋅=公式适用于埋管内流体处于紊流状态，即Re>2200，其中：s λ——土壤导热系数，W/(m ·℃)；b λ——回填土导热系数，W/(m ·℃)； pλ——埋管导热系数，W/(m ·℃)； fluidλ——埋管内水导热系数，W/(m ·℃)；bR ——钻孔内热阻，(m ·℃)/W ；o d 、o r——埋管的外直、半径，m ；id 、i r——埋管的内直、半径，m ； bd 、b r——钻井的直、半径，m ；D ——埋管管间距，m ；h ——埋管内水的对流换热系数，W/(m 2·℃)； Nu ——努塞尔数； Re ——雷诺数；Pr ——普朗特数，其值为/fluid fluid να；v ——埋管内水流速（分子），m/s ；ν——水的运动粘性系数（分母），m 2/s ； （3）垂直双U 型埋管内流体至井壁总热阻传热分析同垂直单U ，取钻孔孔壁的平均温度为过余温度的零点[6]，则有111122133144f b T T R q R q R q R q -=+++221122233244f b T T R q R q R q R q -=+++ 331132233344f b T T R q R q R q R q -=+++ 441142243344f b T T R q R q R q R q -=+++假定U 型管的四根支管在钻孔中是对称布置的，因此有Rij = Rji ，R1 = R2 = R3 = R4，1234f f f f fT T T T T ====，并有R14= R12则212442221222213221ln ln 21ln ln 21ln 22b b sb p b o b s b b b s b b b s b b s b b b s b d d R R R R R d d D d d R D d D d R d D λλπλλλλλπλλλλλπλλλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-====+⋅+⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-⎛⎫=+⋅⎢⎥ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-=+⋅⎢⎥ ⎪+-⎝⎭⎣⎦则埋管内流体至井壁总热阻为：222222222ln ln 11112ln 2ln ln 422ln 2b b s b o b s b b b s b o b b b s b p i i b s b b s b d d d d D d d d R D d D d d h d d D λλλλλλπλλλπλπλλλλ⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫-+⋅⎪⎪⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎛⎫⎛⎫-⎪⎪⎛⎫⎢⎥=++⋅+⋅+⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥++⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎛⎫-⎢⎥⎪⎪++⋅ ⎪⎢⎥⎪⎪+-⎝⎭⎣⎦⎩⎭0.80.40.023Re Pr Re fluid iiNu h d Nu v d λν⋅==⋅=其中双U 管间距D 为靠近的两支管间的距离。
地源热泵系统工程技术规范及埋管计算方法
主要内容
1 总则 2 术语 3 工程勘察 4 地埋管换热系统 5 地下水换热系统 6 地表水换热系统 7 建筑物内系统 8 整体运转、调试与验收 9 附录
地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.1 地源热泵系统 groud-source heat pump system 以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵
分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系 统。
2.0.11 直接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水，经处理后直接流
经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层 的地下水换热系统。
8
地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.12 间接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水经中间换热器热交换
后返回地下同一含水层的地下水换热系统。 2.0.13 地表水换热系统
14
地源热泵系统工程技术规范
3.1 一般规定
3.1.4 工程场地状况调查应包括下列内容： 1 场地规划面积、形状及坡度；（是否满足打井或埋管面
积和位置要求） 2 场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布； 3 场地内树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电
缆的分布； 4 场地内已有的、计划修建的地下管线和地下构筑物的分
蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源。 2.0.5 传热介质 heat-transfer fluid
地源热泵系统中，通过换热管与岩土体、地下水或地 表水进行热交换的一种液体。一般为水或添加防冻剂的水 溶液。
6
地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.6 地埋管换热系统 ground heat exchanger system 传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交
竖直埋管换热器传热计算方式研究
第一章引言研究背景热泵技术及地源热泵系统随着能源危机的加重，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力进展清洁的可再生能源，这要求人们必需关于社会能源消耗情形要有清楚的熟悉。
系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。
地源热泵系统一般是转移地下土壤中热量或冷量到所需要的地址，还利用了地下土壤庞大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏日再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现的功能。
地源热泵系统作为热源对建筑物进行供热和空调,与空气热源相较,有全年温度波动小、数值相对稳固等优势,具有良好的节能与环境效益,最近几年来在国内取得了普遍应用。
地埋管地源热泵系统是利用2O0m之内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采纳地埋管换热器(geothermal heat exchanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优势,有着广漠的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。
本文重点介绍地源热泵系统。
地源热泵系统包括一室内部份和两部份组成的室内部份包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统的腔室外部;地埋管换热器部份的室外部份（见图）。
图地源热泵流程示用意地源热泵系统的优势一、高效节能，稳固靠得住地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳固，土壤与空气温差一样为17度，冬季比环境空气温度高，夏日比环境空气温度低，是专门好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。
2、利用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯，寿命可达50年。
要比一般空调高35年利用寿命。
3、节省空间没有冷却塔、和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
4、实现了水资源的循环利用地源热泵热源的形式多样化，不管是干净清澈的地下水，资源量大而无法高效利用的海水，仍是生活和工业生产废水，抑或地表水，都能够高效的加以利用，实现太阳能量的转移，实现可持续绿色环保的。
地源热泵系统之地埋管换热器设计与实施要点26
当Q空/N4.5时，说明热泵机组能效比还可以，地埋管换热器系统设计合格，否则需要检查系统，考虑增加地埋管管井及地埋管，以保证系统低耗运行。
5结束语
地源热泵系统设计与施工的优劣决定了系统运行的高效与否及后期维保费用的高低，优秀的系统设计及施工应完善好当中的每个环节，确保万无一失。
2工程设计
2.1影响换热器设计的因素及换热器的主要应用分类
地埋管换热器传热的过程是换热器中流动的工质与岩土体的换热，整个换热过程属于非稳态蓄热换热，换热器与岩土体的换热效率与岩土体的物性系数有关，换热器的传热系数和传热温差（循环工质的平均温度与岩土温度的差值）随时间和空间而变化；换热器的结构的结构布置与换热负荷对交换效果有较大影响；循环液进出口温度的设定、地热换热器面积、热泵机组的换热性能均有较大影响。
（3）应考虑冻土层及由于天气季节变化、交通运输等外界因素的影响确定水平层埋管深度，水平埋设时，水平主管顶部距防冻层高度不应小于0.6m，距地面不应小于1.5m。
（4）回填料的特性
回填料的特性包含：渗流特性、力学特性和传热特性。渗流特性包括渗透系数，随温度的升高而降低，一般取值1.58*cm/s；力学特性研究回填料与U形管之间的结合力、回填料的弹性模量、剪切模量、泊松比。但须考虑有利与泥浆泵的可泵性，当硅砂的含量达到70%时，膨润土基灌浆的导热系数可达2.08—2.42W/m·K。地下水位常年保持较高，地下水流较好的地区，易在灌浆材料中增加膨润土的比例，膨润土在饱水状态下吸水膨胀，可使灌浆材料与钻孔孔壁以及换热管道密切接触，有效降低接触热阻，提升换热效率。
地源热泵系统之地埋管换热器设计与实施要点
摘要：地源热泵系统利用利用热量相对稳定的大地（土壤、地层、地下水）介质作为热源，夏季将室内的热量通过空调系统工质转移到地下；冬季将土壤中的低品位热量通过系统工质转移到室内的一套稳态热泵空调系统。
地源热泵系统工程技术规范及埋管计算方法
2.0.19 抽水井 production well 用于从地下含水层中取水的井。
2.0.20 回灌井 injection well 用于向含水层灌注回水的井。
10
地源热泵系统工程技术规范
2 术语
2.0.21 热源井 heat source well 用于从地下含水层中取水或向含水层灌注回水的井，是
22
源热泵系统工程技术规范
4.3 地埋管换热系统设计
4.3.6 地埋管换热器设计计算时，环路集管不应包括在地埋管换 热器长度内。 4.3.7 水平地埋管换热器可不设坡度。最上层埋管顶部应在冻土 层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。 4.3.8 竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小 于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3～6m。水平连 接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。 4.3.9 地埋管换热器管内流体应保持紊流流态，水平环路集管坡 度宜为0.002。
2 地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材 的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压 力不应小于1.0MPa。地埋管外径及壁厚可按本规范附录A 的规定选用。
19
地源热泵系统工程技术规范
4.2 地埋管管材与传热介质
4.2.3 传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的 其他介质：
抽水井和回灌井的统称。
2.0.22 抽水试验 pumping test 一种在井中进行计时计量抽取地下水，并测量水位变化
的过程，目的是了解含水层富水性，并获取水文地质参数。
2.0.23 回灌试验 injection test 一种向井中连续注水，使井内保持一定水位，或计量注
地埋管换热器传热系数_概述说明以及概述
地埋管换热器传热系数概述说明以及概述1. 引言1.1 概述地埋管换热器是一种广泛应用于能源节约和环境保护的技术设备，通过将导热性能良好的管材埋入地下，在地表循环流动介质实现换热以提供供暖或制冷效果。
而地埋管换热器传热系数作为评价其传热效率的指标，对于设计和优化该设备具有重要意义。
本文旨在概述地埋管换热器传热系数的相关知识，介绍测量方法与影响因素分析，并提出改进措施建议和未来发展方向。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行阐述。
引言部分将对本文的主题及目标进行简要介绍。
第二部分将概述地埋管换热器的基础知识、工作原理，并强调传热系数在该设备中的重要性。
第三部分将详细介绍传热系数测量方法，并对影响因素进行深入分析。
第四部分将探讨地埋管换热器传热系数在实际应用中存在的问题和挑战，并提出相应的改进措施和未来发展方向。
最后，第五部分将总结本文的主要发现，并对地埋管换热器传热系数的工程应用价值和推广前景进行评估和展望。
1.3 目的本文旨在系统概述地埋管换热器传热系数的相关知识，包括传热基础知识、测量方法和影响因素分析。
通过深入探究现有问题和挑战，提出改进措施建议并展望未来发展方向，以帮助读者更好地理解和运用地埋管换热器传热系数，在能源节约和环境保护领域中取得更好的效果。
2. 地埋管换热器传热系数概述2.1 传热基础知识在讨论地埋管换热器的传热系数之前，首先需要了解一些传热的基础知识。
传热是指物质内部或不同物质之间由于温度差异而发生的能量传递现象。
常见的三种传热方式包括导热、对流和辐射。
- 导热：通过物质内部分子之间的碰撞而进行的能量传递。
导热是固体和液体中主要的传热方式。
- 对流：通过流体内部因密度差异所引起的对流运动进行能量传递。
对流可分为自然对流和强制对流两种形式。
- 辐射：由于温度差异而产生的电场或者电子波辐射，并通过空气或真空中的电介质实现能量传递。
在地埋管换热器中，主要依靠地面、土壤等媒介中的导热来进行能量传递。
土壤源热泵地埋管换热器计算模型
土壤源热泵地埋管换热器计算模型日期:汇报人：•引言•地埋管换热器工作原理•地埋管换热器计算模型•计算模型验证与优化•地埋管换热器工程应用实例目•结论与展望录CHAPTER引言01背景意义研究背景与意义研究内容方法研究内容与方法CHAPTER地埋管换热器工作原理02地埋管换热器结构地下换热器与热泵机组连接，吸收地下热量，通过热泵机组将热量传递给制冷剂，制冷剂再将热量排放到大气中，实现供冷。
冬季供暖地下换热器与热泵机组连接，将地下热量传递给制冷剂，制冷剂再将热量排放到室内，实现供暖。
传热介质热传递方式CHAPTER 地埋管换热器计算模型03传热模型建立传热模型基于土壤传热过程建立数学模型，包括土壤的导热系数、比热容等参数。
几何模型根据地埋管换热器的形状和尺寸，建立相应的几何模型。
边界条件考虑土壤温度、地埋管换热器的进出口温度等边界条件。
土壤热特性参数确定导热系数土壤的导热系数是反映其传热能力的重要参数，需要通过实验测定。
比热容土壤的比热容也是影响其传热的重要参数，需要根据土壤类型和含水率等因素进行估算。
热扩散率反映土壤对热量扩散能力的参数，与土壤的颗粒大小、孔隙率等因素有关。
010302换热器传热计算方法数值模拟简化模型实验验证CHAPTER计算模型验证与优化041模型验证方法23将模型的预测结果与理论推导结果进行对比，验证模型的准确性。
理论推导通过在地埋管换热器现场进行实验，测量实际的土壤温度和换热器性能，与模型预测结果进行对比，以验证模型的准确性。
实验测试选用多个不同的地埋管换热器计算模型，对同一个工程进行计算，并将结果进行对比分析，以验证所选模型的准确性。
对比分析模型优化方法改进算法考虑动态因素增加参数模型应用范围与局限性分析应用范围该模型适用于计算土壤源热泵地埋管换热器的性能，并预测其在不同工况下的运行效果。
局限性该模型假设土壤温度沿地下深度均匀分布，忽略了土壤导热的不均匀性，同时也没有考虑地下水的影响，这可能会对模型的预测精度产生影响。
地源热泵地埋管计算方法
•地源热泵地埋管计算方法地埋部分设计（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。
地埋管取热量计算
地埋管取热量计算地埋管取热量计算是指通过埋设地下管道来获取地热能量的一种方法。
地热能是一种可再生能源，利用地下管道取热可以有效地提供供暖和热水等能源需求。
下面将从地埋管的原理、热量计算公式和实际案例等方面来介绍地埋管取热量的计算方法。
一、地埋管取热量的原理地埋管取热量的原理是利用地下管道与地壤之间的热交换作用，将地下的地热能量转移到建筑物内部，从而达到供暖和热水的目的。
地下管道中的流体通过与地壤接触，吸收地壤的热能，再将热能传递到热泵或其他热交换设备中，最后供给建筑物使用。
二、地埋管取热量的计算公式地埋管取热量的计算公式可以根据具体情况进行推导，以下是一个常用的计算公式：Q = m × c × ΔT其中，Q表示取热量，m表示流经地埋管的流体质量，c表示流体的比热容，ΔT表示流体在进出口温度差。
三、地埋管取热量的实际案例下面以某小区地埋管取热为例，来介绍地埋管取热量的计算方法。
某小区地埋管系统总长度为1000米，埋深为2米，管道直径为0.1米，流体质量为0.1kg/s，进口温度为10摄氏度，出口温度为20摄氏度。
根据上述数据，可以进行以下计算：计算地埋管的表面积：A = π × D × L其中，A表示地埋管的表面积，π为圆周率，D为管道直径，L为地埋管的长度。
代入具体数值，可得：A = 3.14 × 0.1 × 1000 = 314平方米然后，计算地埋管与地壤之间的热交换量：Q = A × U × ΔT其中，Q表示取热量，A表示地埋管的表面积，U表示地埋管与地壤之间的热传导系数，ΔT表示流体在进出口温度差。
根据实际情况，假设地埋管与地壤之间的热传导系数为20W/（平方米·摄氏度），则代入具体数值可得：Q = 314 × 20 × (20-10) = 6280W将取热量转换为热量需求：Q' = Q × 3600 / η其中，Q'表示热量需求，Q表示取热量，3600为换算系数（将秒转换为小时），η表示热泵或其他热交换设备的效率。
地热能供暖浅层竖直地埋管、中深层同轴套管式换热器的设计计算
的小时数。 C.0.3 根据设定的单井孔深 L，计算需要的换热孔数：
ceil
(C.0.3)
式中 ——需要的换热孔数；
ceil——向上取整函数。
C.0.4 岩土体和回填材料的热物性参数无实测数据时，可按表 C.0.4 估算。
（C.0.2-1）
（C.0.2-4）
式中 Lh——供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）； Qh——水源热泵机组的额定热负荷（kW）； COP——水源热泵机组的供热性能系数； tmin——供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度（℃）；
96
t∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）； Fh——供热运行份额； Th1——一个供热季中水源热泵机组的运行小时数；当运行时间取 1 个月
2 U 型管的管壁热阻可按下式计算：
ln
（C.0.1-2）
式中
√ ——U 型管的管壁热阻（m·K/W）；
（C.0.1-3）
——U 型管导热系数[W/(m·K)]；
——U 型管的外径（m）；
——U 型管的当量直径（m）；对单 U 型管，n=2；对双 U 型管，n=4。
3 钻孔灌浆回填料的热阻可按下式计算：
－
－
－
－
ρ 密度 kg/m3 1925 1925 1285 1285 1925 1925 1285 1285 2650 2400～2800 2570～2730 － －
－
－
－
－
97
含有 30％混凝土、70％ SiO2 沙子的混合物
2.08～2.42
－
中深层地热能供暖地埋管换热器传热分析
3)
套管埋管内外管中流体的流动和传热都按单 位 长 度 的 热 容 量 ， JA m •K );C 为 流 体 的 热 容
一 维 问 题 考 虑 ，即 不 考 虑 管 内 流 体 在 横 截 面 上 的 速
量 ， J A s •K );z„ 、仏 分 别 为 内 、外 管 中 流 体 的 温
度和温度分布，而仅考虑在横截面上的平均温度和
中深层地源热泵作为一种对地热能利用较为 高 效 的 方 式 ，受 到 业 内 研 究 人 士 的 重 视 且 已 逐 渐 推 广应用。但 是 ，由于中深孔地源热泵打井和埋设管 道的成本相对较高且一旦施工结束后无法进行维 修 ，所以必须对工程项目进行分析和预测，探索不 同因素对套管换热器取热能力的影响.研究循环水 在 系 统 运 行 过 程 中 的 温 度 变 化 ，以及揭示 单 取 热 工 况对地下土壤介质的影响。本文根据中深层套管 式 地 埋 管 换 热 器 的 传 热 模 型 ，以实际供暖工程项目
热性能越来越差。
鉴于浅层地热能地源热泵技术的缺点，为提高
☆ 关 春 敏 ，女 ，1995年 8 月生 ，在读硕士研究生 250101山 东 省 济 南 市 历 城 区 临 港 开 发 区 港 沟 街 道 凤 鸣 路 1000号山东建筑大学热能工程学院 E-mail：1018655984@qq. com
W A m . K ) , 单 位 体 积 热 容 为 3. 634 M J A m 3 .
K) 。在 0 〜 420 m 处设置隔热段，隔热段使用导热
系 数 为 1. 48 W /( m • K ) 的普通水泥回填，而420〜
2 445 m 处 使 用 导 热 系 数 为 2. 68 W /( m •K ) 的普
竖直地埋管换热器设计计算
B．0．1 竖直地埋管换热器的热阻计算宜符合下列要求：
1 传热介质与u形管内壁的对流换热热阻可按下式计算：
`R_f = 1/(πd_iK)` (B·0·l-1)
式中 Rf——传热介质与u形管内壁的对流换热热阻(m·K／W)；
式中 Rpe——U形管的管壁热阻(m·K／W)；
λp管的外径(m)；
de——U形管的当量直径(m)；对单u形管，n=2；对双U形管，n=4。
3 钻孔灌浆回填材料的热阻可按下式计算：
`R_b = 1/(2πλ_b)1n(d_b/d_e)` (B．0．1-4)
`L_h = (1000Q_h[R_f+R_(pe)+R_b+R_s×F_h+R_(sp)×(1-F_h)])/(t_∞-t_(min))((COP-1)/(COP))` (B．O．2-4)
`F_h` = `T_(h1)`/`T_(h2)` (B．O．2-4)
式中Rb——钻孔灌浆回填材料的热阻(m·K／w)；
λb——灌浆材料导热系数[w／(m·K)]；
db——钻孔的直径(m)。
4 地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下列公式计算：
对于单个钻孔：
`R_s = 1/(2πλ_s)I(r_b/(2sqrt(aτ)))` (B．0．1-5)
Th2——一个供热季中的小时数；当运行时间取一个月时，Th2为最冷月份的小时数。
式中 Rs——地层热阻(m·K／W);
I——指数积分公式，可按公式(B．0．1—6)计算；
λs——岩土体的平均导热系数[w／(m·K)]；
a——岩土体的热扩散率(m2／s)；
不同形式地埋管换热器换热性能数值计算分析
０ （ ｔ ， Ｌ ） —— 时刻， 地 埋 管 长 度 处 管 内 流
层土 壤温 度易 受环 境影 响 。竖 直地 埋管 换热 器布 置 于竖 向钻 孔 中 Ｊ ， 与 回填 材 料 直 接 接 触 ， 主要 与深 层土 壤换 热 ， 由于深 层土 壤温 度全 年维持 恒定 ， 因此 换热 性能 稳定 。桩基 螺旋 地埋 管换 热器 利用 建筑 的 桩基 ， 不需 另外 钻孑 Ｌ ， 将地 埋管 以螺 旋形 式布 置在桩 基钢 笼上 ， 通 过 混 凝 土 进 行 回填 Ｊ ， 同时 与 桩 基 内 部 的混凝 土和外 部 的土壤 换热 。
越好。
１ ． 水 平 地 埋 管换 热 器 （ 流速 ０ ． ８ ｍ／ ｓ ） ２ ． 水 平 地 埋 管换 热 器 （ 流速 ０ ． ６ ｍ／ ｓ ） ３ ． 桩 基 螺 旋 地 埋 管换 热 器 （ 流速 ０ ． ８ ｍ ／ ｓ ） ４ ． 桩 基 螺 旋 地 埋 管 换热 器 （ 流速 ０ ． ６ ｍ ／ ｓ ） ５ ． 竖 直 地 埋 管换 热 器 （ 流速 ０ ． ８ ｍ／ ｓ ） ６ ． 竖 直 地 埋 管换 热 器 （ 流速 ０ ． ６ ｍ／ ｓ ）
体 温度 ， ℃
０ （ ｔ ， Ｌ ， Ｒ） —— ｆ 时刻 ， 地埋管长度 ， Ｊ 处 内壁 面 温度 ， ｏ 【 ＝
Ａ —— 管壁 的热导率 ， Ｗ／ （ ｒ ｎ・ Ｋ） ０ （ ｔ ， Ｌ ， ｒ ） — — 时刻 ， 地 埋管 长度 处垂 直 于 地 埋 管轴 向 ｒ 处 的温度 ， ℃
地埋管取热量计算
地埋管取热量计算地埋管取热量计算是指通过埋设在地下的管道来利用地下热能进行供热或制冷。
地埋管取热量的计算是衡量地热能利用效果的重要指标之一。
本文将从地埋管取热量计算的原理、方法和关键因素等方面进行探讨。
一、地埋管取热量计算的原理地下土壤具有良好的保温性能，可以保持相对稳定的温度。
地埋管取热量的计算基于地下土壤与管道之间的热交换过程。
当地下土壤温度高于管道中的流体温度时，热量会通过管壁传递到流体中，实现热能的转移。
因此，地埋管取热量的计算要考虑地下土壤的热导率、管道材料的热传导性能以及流体的流量和温度等因素。
地埋管取热量的计算可以采用理论计算和实验测量相结合的方法。
其中，理论计算主要基于数学模型和计算公式，通过输入相关参数进行计算。
实验测量则是通过在实际工程中布置传感器对地埋管系统进行监测和数据采集，根据实测数据进行计算分析。
在理论计算方法中，常用的计算模型包括热传导模型和热对流模型。
热传导模型主要考虑地下土壤与管道之间的热传导过程，通过计算热传导方程求解热量传递。
热对流模型则考虑地下土壤与管道之间的对流传热过程，通过计算对流传热方程求解热量传递。
这两种模型可以根据具体情况选择适用的计算方法。
三、地埋管取热量计算的关键因素地埋管取热量的计算受到多个因素的影响，其中最主要的因素包括地下土壤的热导率、管道材料的热传导性能、管道的长度和布置方式、流体的流量和温度等。
地下土壤的热导率是指单位温度梯度下单位距离内热传导的能力，是地埋管取热量计算中的关键参数之一。
不同类型的土壤具有不同的热导率，对地埋管取热量的影响也不同。
因此，在计算中需要准确测定地下土壤的热导率。
管道材料的热传导性能是指管道材料对热传导的特性，也是地埋管取热量计算中的重要因素。
不同材料的热传导性能差异较大，对地埋管取热量的效果有着直接影响。
因此，在设计地埋管系统时需要选择合适的管道材料。
管道的长度和布置方式是影响地埋管取热量的另一个重要因素。
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摘 要：本文通过对某住宅小区地源热泵系统地热换热器的方案设计的工程实例，介绍了采用《地热之星》软 件设计地热换热器的方法；讨论分析了回填材料导热系数、岩土导热系数、钻孔间距以及循环液的类型四种 主要因素对地热换热器设计尺寸的影响，并指出提高回填材料导热系数、适当增大钻孔间距以及选择凝固点 较低的循环液有利于减小钻孔长度，从而节省地热换热器的初投资。
本工程采用单U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图1 所示。管材采用目前国际上广泛使用的 高密度聚乙烯管（PE3408），其导热系数为
本工程采用单U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图1 所示。管材采用目前国际上广泛使用的 高密度聚乙烯管（PE3408），其导热系数为 0.42 W/(m℃)；标准尺寸比为SDR11，管外径为32mm，内径为26mm。两支管间距选为C 型，即两根管子中心距 为钻孔半径。
4 方案比较 综合以上所述，在该工程地热换热器设计的方案比较中主要考虑以下几项因素的影响：①回填材料导热系数； ②岩土导热系数；③钻孔间距；④循环液的类型。
4.1 回填材料导热系数和岩土导热系数对地热换热器设计尺寸的影响
当循环液为乙二醇 16% ，钻孔几何分布为矩形阵列 4×25 ，钻孔间距为 4*5 （行间距*列间距）时，采用不 同的回填材料导热系数以及岩土导热系数计算出了一系列地热换热器的尺寸，据此画出了 1 万平米空调面积 总钻孔长度随岩土导热系数和回填材料导热系数的变化曲线图。图 2 中的曲线从上到下分别代表岩土的导热 系数为 0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K) 。从图中可以看出，随着回填材料的导热系数的增大，钻孔长度逐渐减小； 随着岩土导热系数的增大，钻孔长度明显减小。另外，从图中还可以看到对于导热系数在 0.8-2.0 W/(m.K) 范 围内的岩土，当钻孔回填材料的导热系数由 0.6 W/(m.K)增大到 1.2 W/(m.K) 时，仅增大了 1 倍，钻孔总长度 就减少了 500m 左右。这说明：当回填材料导热系数较小，尤其当其小于 1.2 W/(m.K) 时，提高钻孔回填材料 的导热系数，可以减少相当可观的埋管长度。
4.3 循环液类型对地热换热器设计尺寸的影响 在地热换热器的设计中，设定的进入热泵循环液最高、最低温度，对设计结果有着显著影响。在供热负荷为 主导的地热换热器的设计当中，选择添加防冻剂的循环液可以使冬季工况下进入热泵的最低温度降低，常常 可以使地热换热器的设计尺寸减小。图 4、图 5 就是当回填材料导热系数为 1.2W/(m.K)， 岩土的导热系数为 1.6W /(m.K)时， 改变循环液的类型，相应改变热泵入口处循环液最高、最低温度，所得出的 1 万平方米建筑 面积所需地热换热器尺寸。
3.1 确定钻孔参数 钻孔的几何分布形式要根据可提供的场地确定，本研究选取矩阵排列为4×25。钻孔间距取3*3、4*4、4*5、 5*5、6*6、7*7、8*8、9*9（行间距*列间距）八种情况进行比较计算。钻孔半径设为0.055m。回填材料的导 热系数取0.6，1.2，1.8，2.4，3.0 W/(m℃)进行比较和研究。 3.2 U 型管的确定
3.6 设计要求 在计算地热换热器的长度之前，还需输入设定的夏季工况时进入热泵的循环液的最高温度和冬季工况时进入 热泵的最低温度值。由于热泵进出口的循环液温差一般要保持在 5℃左右，因此设计设定的值通常要求进入热 泵循环液最低温度至少高出其凝固点 7℃ 。根据各种循环液凝固点的不同，当循环液为纯水时，设计进入热 泵循环液最低温度为 7℃， 当循环液为乙二醇 16%或氯化钠 11% 时，设计进入热泵循环液最低温度分别至少 应为 0℃ 、-0.5℃。进入热泵的循环液的最高温度取为 30 、33 、36 、39℃ 来做计算比较。此外，软件还 需确定峰值负荷持续的时间，该设定值与循环液可能达到的最高或最低温度有关。该设计中额定冷、热负荷 满负荷持续运行时间均设定为 4 小时。要求满足以上运行条件的运行时间定为 20 年。
25.89 0 133789 27440
26.92 0 258535 28355
26.37 0 192741 28355
25.10 0 39533 27440
16.11 0 0 28355
7.94 123492 0 27440
3.07 195646 0 28355
3.5 循环液参数的确定 可根据当地岩土的温度和实际需要从软件的数据库中选择循环液的类型进行方案比较。本研究选择了下 列表2 中的三种循环液进行比较。循环液的总流量应参考所选的热泵设备提供的数据。该系统的设计循环液
周期（20年或更长的时间）中的性能为设计目标，使地热换热器的设计计算脱离了按经验数据估算的状况。 该软件还能同时对单U 型埋管与双U 型埋管这两种分别
[3]
在美国和欧洲流行的不同埋管形式 进行计算和比较。《地热之星》又是对用户友好的，普通的暖通空
调工程师都能很快掌握软件的使用，输入设计条件就可以直接得到要求的埋管长度，因而可以方便地进行多 方案的技术经济比较。本文结合一个工程实例就其中的回灌材料的导热系数、岩土的导热系数、钻孔间距及 循环液的类型四个方面对地热换热器的设计方案进行分析和比较。 2 工程概况
该工程为位于湖北省的一个住宅小区，总建筑面积约7 万平方米，拟采用地源热泵空调系统来实现其冬
季的供热、夏季的制冷以及供应生活用热水。该地区冬季空调室外计算温度为
℃；夏季空调室外计算
温度为
℃；未受干扰的地下温度为16℃。本设计主要通过《地热之星》设计软件按1 万平方米建筑面
积来进行方案比较和设计计算。 3 方案比较和设计
3.3 岩土参数的确定 当地远端岩土温度为16℃。当地岩土的类型可参考当地地质勘探局提供的有关数据，但对于其热物性拟
[7]
应用热物性测定仪进行现场测试 。在设计阶段岩土平均导热系数先按 0.8，1.2，1.6，2.0W/(m℃)试算，
同时可模拟不同岩土平均导热系数对要求的地热换热器埋管尺度的影响。岩土体积比热取为2000 kJ/(m℃)。 3.4 确定该小区的系统负荷 系统负荷包括建筑物每月累计的总冷、热负荷及月累计生活热水负荷。取冬夏季的室内计算温度分别为
4.2 钻孔间距对地热换热器设计尺寸的影响 当循环液为乙二醇 16%，钻孔几何分布为矩形阵列 4×25 时，取回填材料导热系数为：1.2 W/(m.K) ，画出 了 1 万平方米建筑面积所需钻孔总长度随着钻孔间距的变化关系图，见图 3。 图 3 中的曲线从上到下分别代表岩土的导热系数为 0.8，1.2，1.6，2.0W/(m.K)， 由图 3 可以看出，随着钻孔 间距的增大，钻孔总长度逐渐减小；且钻孔间距越小，这种影响越明显。当钻孔间距较大，即行间距、列间 距均为 7m 时，钻孔长度基本不再变化。另外，随着岩土导热系数的减小，钻孔间距对钻孔长度的影响将逐 渐减弱。
关键词：地源热泵 地热换热器 设计 软件
1 引言 随着经济的发展以及人们对节能、环保意识的提高，具ss 量的值可以产生数倍的变化。国内有些关于
地热换热器设计的文献中推荐的每米钻孔传热量的经验数据，对于实际工程设计可能产生误导，因而不利于 该项新技术在我国的推广应用。
[5]
影响地热换热器设计的最重要影响因素有：1.岩土的导热系数；2.全年的冷热负荷及其相对的比值 ；
5 结论
地热换热器的合理设计是保证地源热泵供热空调系统的技术性能和经济性的关键，对推广该项新技术有重大 的影响，已经受到广泛的关注。地热换热器中的传热涉及的空间尺度大，时间跨度长，影响因素错综复杂； 个别参数的改变可能导致地热换热器实际换热能力成倍的变化。无论是从实验或实际经验得到的“每米钻孔换 热量”的经验性的指标通常不具备普遍的指导意义，这给地热换热器的设计带来较大的困难。根据地热换热器 传热模型开发的设计计算和模拟软件可以在很大程度上帮助工程技术人员解决这一难题。
=18℃, =25℃，则由以下公式计算可得建筑物每月累计的总冷负荷或总热负荷，单位KWhr。
冬季每月总热负荷计算公式
夏季每月总冷负荷计算公式 式中，C为同时使用系数，对住宅楼这里取作50%；A 为总建筑面积，单位 ；qh为热负荷面积指标，
本方案取50
；qc为冷负荷面积指标，本方案取100
； 为月平均温度，由气象资料得到，
3
的总流量为：21.3m /hr。
表2 各种循环液的热物性
循环 液类 型
比热Biblioteka 纯水乙二 醇 16% 氯化 钠 11%
4.187 3.92 3.69
密度
998.95 1020
凝 导热系数 固 10-2 点 ℃
0
58.65
-7 52.5
1080
-7.
5
58.1
动力粘度
1155 1765.2 1333.705
图 4 画出了采用不同循环液最低温度时的地热换热器尺寸，图中三种循环液的热泵入口处最高温度均为 36℃ 。从图中可以看出一个这样的总趋势：对于乙二醇 1 6%、氯化钠 11%和纯水这三种循环液，随着热泵入 口循环液最低设计温度的升高，钻孔总长度逐渐增加。从图 4 中我们还可以看到当循环液最低设计温度相同 时，采用乙二醇 16% 循环液所需要的地热换热器尺寸比采用氯化钠 11% 循环液时稍大。但是随着循环液最 低设计温度的增大，这种趋势越来越小，且当循环液最低设计温度达到 7℃ 时，采用三种循环液时的地热换 热器尺寸基本相同，说明此时地热换热器的尺寸基本不再受循环液的类型的影响。
本文针对特定的工程实例讨论了四种影响地热换热器设计尺寸的主要因素。岩土导热系数对钻孔长度的影响 很明显，但对于给定的工程岩土导热系数是确定的值，难以加以改变，因此重要的是要通过现场的测定得到 比较可靠的数据，以保证系统的正常出力。回填材料的导热系数对钻孔长度也有重要的影响，应注意采用高 性能的回填材料来保证传热性能，减少钻孔总长度，节省初投资及运行费。从所作的方案比较可以看出，在 一定范围内钻孔间距显然越大越有利于提高地热换热器的换热能力，但是在实际工程中还要考虑可用空地的 面积及形状而定，建议行和列的间距都不宜小于 4m 。对于以供热负荷为主的应用场合，可考虑采用防冻剂 溶液作循环液。在考虑其安全性、腐蚀性及对环境影响的前提下，为了减小钻孔长度、降低初投资，可以选 择凝固点较低的防冻剂溶液，这样热泵入口循环液设计最低温度能较低一些；但这同时也会降低热泵机组的 COP 值。因此，选择循环液时需要综合考虑循环液对埋管造价和热泵机组性能值的影响，选取经济高效的循 环液。