地源热泵系统U型地埋管换热器选型要点及施工技术

地源热泵系统U型地埋管换热器的选型要点及施工技术摘要：本文在工程施工的基础上，对该系统的选型及施工技术进行了探讨与研究，其中包括地下换热器的布置形式、环路方式及管材的选择，管径、管长及数目、钻孔间距确定，管内传热介质、钻孔深度、回填料的选择等。此文可以应用在该系统的设计、施工中，对实际工程有较强的指导意义。

关键词：地源热泵；地下换热器；选型；施工技术

1、概述

地源热泵是指将传统空调器的冷凝器与蒸发器延伸至地下，使其与浅层地能（浅层土壤、地下水和地表水）进行热交换来提供冷热源，或是通过中间介质（如水或以水为主要成份的防冻液）在封闭的环路里在土壤中循环流动，实现利用浅层地能为建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源技术。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是热泵很好的供热热源和供冷能源。

地源热泵系统可分为地下换热器的设计施工和地上设备管道的设计施工两部分，地上设备管道的安装施工与设计和传统暖通空调设备的设计与安装并无太大差别，而地下换热器的设计与施工比较有特点，作者结合无锡某项目地源热泵工程的设计与施工的特点，对地埋管换热器的的设计选型及施工问题进行研究与经验讨论。

2、u型地埋管换热器的选型

埋管处地质情况和岩土传热性能是地埋管换热器设计选型与施工的重要参数。设计地埋管换热器时，首先需要确定当地的岩土类

型、导热系数、比热容等参数。

2.1 地埋管的管材、管径与传热介质

2.1.1 地埋管管材

地源热泵系统地埋管管材的选择非常重要。一般来说，一旦将地埋管换热器埋入地下后，基本就不可能进行维修或更换。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，我国国家标准[1]给出了地埋管换热器地埋管管道外径尺寸标准和管道的压力级别，地埋管外径及壁厚可按规定选用。

2.1.2 管径的选择原则

管径的选择应根据热泵本身的换热器的流量要求以及选用的串联或并联的形式确定。埋管管径不能太大，要保证管中流体的流速足够大，保证管中流体处于紊流区（re≥2100），有利于强化流体与管壁的换热效率[2]；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（经验数字是0.3-1.0m/s之间），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。

2.1.3 埋管内传热介质

在国内南方地区，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。目前应用较多的有：盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；

酒精水溶液等。为了防止出现结冰现象，添加防冻液后的传热介质冰点宜比设计最低运行水温低3~5℃。一般来说，防冻液的浓度应保证循环液的凝固点比循环液的最低温度低8℃，最少也要低3℃[3]

2.2 地埋管换热器的负荷计算

首先确定建筑物的夏季空调设计总冷负荷、冬季空调设计总热负荷和热水负荷（如果选用的话），总冷、热设计负荷是用来确定系统设备（如热泵）的大小和型号，以及根据设计负荷设计空调风管及送、回风口的分布。同时，总冷、热设计负荷又是地埋管换热器负荷计算的基础。地埋管换热器的设计进行全年动态负荷计算，地埋管换热器中循环介质的换热量应满足一年当中地源热泵系统释放到地下的总热量（供冷方式）或一年当中最冷月从地下吸收的总热量（供热方式）。即，地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统实际的最大吸热量或最大释热量的要求，且这两者宜基本平衡。

在供冷季节，地源热泵系统的实际最大释热量发生在与建筑物最大冷负荷相对应的时刻。输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统空调总冷负荷、热泵机组压缩机耗功量和循环水泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。

在供热季节，地源热泵系统的实际最大吸热量发生在与建筑物最大热负荷相对应的时刻。从地下吸收的热量等于系统空调总热负

荷扣除机组压缩机的耗功，并扣除循环水泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。

即，夏季地埋管换热器最大释热量和冬季地埋管换热器最大吸热量可由下式计算：

kw(1)

kw(2)

其中——夏季地埋管换热器最大释热量，kw，——夏季空调总设计冷负荷，kw

——冬季地埋管换热器最大吸热量，kw，——冬季空调总设计热负荷，kw

——设计工况下热泵机组的制冷系数，——供冷季水泵的小时耗功量，kw

——设计工况下热泵机组的供热系数，——供热季水泵的小时耗功量，kw

h——地源热泵系统运行的小时数

最大释热量与最大吸热量相差不大的工程，分别计算制冷与供热工况下的地埋管换热器的负荷，取其大者；当两者相差较大，全年冷、热负荷平衡失调时，宜进行技术经济比较，采用辅助散热（增加冷却塔）或辅助供热（热水系统）来解决，一方面经济性较好，同时也可避免因吸热和释热不平衡所导致的地埋管区域岩土温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低运行效率。因此地埋管换热器的设计应充分考虑全年冷、热负荷不均的影

响。

2.3 地埋管换热器的布置形式

目前地埋管换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种方式。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。实际工程中往往在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。

2.3.1 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，图1所示为常见水平地埋管形式，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，因此在使用水平埋管时应用多层管的较多。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况（如只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少。

图1 几种常见水平地埋管形式

2.3.2 竖直埋管