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地源热泵空调系统技术与设计介绍

GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM TECHOLOGY AND DESIGN

二 OO 四年十二月

目 录

第一部分、 地源热泵工作原理 第二部分、 地源热泵系统的分类与应用方式 第三部分、 地源热泵的方案设计
一、 地源热泵( GSHP) 的系统选型设计 二、 土壤热泵系统( GCHP) 的方案设计 三、 水源热泵系统( GWHP) 的方案设计 四、 地表水热泵系统( SWHP) 的方案设计
附 1、 地源热泵工程的常见技术手段

一、 热泵工作原理
第一部分、 地源热泵工作原理

作为自然界的现象, 正如水由高处流向低处那样, 热量也总是从高温流向低温, 用著名的

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热力学第二定律准确表述是: ”热量不可能自发由低温传递到高温”。但人们能够创造机器, 如 同把水从低处提升到高处而采用水泵那样, 采用热泵能够把热量从低温抽吸到高温。因此热泵 实质上是一种热量提升装置, 它本身消耗一部分能量, 把环境介质中贮存的能量加以挖掘, 提 高温位进行利用, 而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低, 这也是热泵的节 能特点。

热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的, 对蒸气压缩式热泵( 制冷) 系统主要 由压缩机、 蒸发器、 冷凝器和节流阀组成: 压缩机( Compressor) 起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用, 是热泵( 制 冷) 系统的心脏; 蒸发器(Evaporator)是输出冷量的设备, 它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发, 以吸 收被冷却物体的热量, 达到制冷的目的; 冷凝器(Condenser)是输出热量的设备, 从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量 在冷凝器中被冷却介质带走, 达到制热的目的;
膨胀阀(Expansion Valve)或节流阀(Throttle Valve)对循环工质起到节流降压作用, 并调节进 入蒸发器的循环工质流量。
根据热力学第二定律, 压缩机所消耗的功( 电能) 起到补偿作用, 使循环工质不断地从低 温环境中吸热, 并向高温环境放热, 周而往复地进行循环。

二、 热泵机组的分类

热泵机组是需要冷凝器的热量, 蒸发器则从环境中取热, 此时从环境取热的对象称为热源; 相反制冷是需要蒸发器的冷量, 冷凝器则向环境排热, 此时向环境排热的对象称为冷源。
蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同, 主要分为空气换热和水换热两种形式。 这样热泵机组或制冷机根据与环境换热介质的不同, 可分为水—水式, 水—空气式, 空气—水式, 和空气—空气式共四类。
利用空气作冷热源的热泵, 称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史, 而且其安装 和使用都很方便, 应用较广泛。但由于地区空气温度的差别, 在中国典型应用范围是长江 以南地区。在华北地区, 冬季平均气温低于零摄氏度, 空气源热泵不但运行条件恶劣, 稳定性差, 而且因为存在结霜问题, 效率低下。利用水作冷热源的热泵, 称之为水源热泵。 水是一种优良的热源, 其热容量大, 传热性能好, 一般水源热泵的制冷供热效率或能力 高于空气源热泵, 但由于受水源的限制, 水源热泵的应用范围远不及空气源热泵。
三、 地源热泵工作原理及分类 地源热泵是利用水与地能( 地下水、 土壤或地表水) 进行冷热交换来作为热泵的冷热源,
冬季把地能中的热量”取”出来, 供给室内采暖, 此时地能为”热源”; 夏季把室内热量取出来,

释放到地下水、 土壤或地表水中, 此时地能为”冷源”。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分: 室外地能换热系统、 水源热泵机组和室内采暖空调

末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式: 水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或 空气换热介质进行热量的传递, 水源热泵与地能之间换热介质为水, 与建筑物采暖空调末端换 热介质能够是水或空气。

地源热泵同空气源热泵相比, 有许多优点: ( 1) 全年温度波动小。冬季温度比空气

温度高, 夏季比空气温度低, 因此地源热泵的制热、 制冷系数要高于空气源热泵, 一般 可高于 40%, 因此可节能和节省费用 40%左右。( 2) 冬季运行不需要除霜, 减少了结霜和 除霜的损失。( 3) 地源有较好的蓄能作用。
四、 地源应用分类

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器, 收集了 47％的太阳能量, 比人类每年利用能量的 500 倍还多。它不受地域、 资源等限制, 真正是量大面广、 无处不在。地表浅层地热资源的温度一 年四季相对稳定, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是热泵很好的供热热源和 供冷冷源。

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月平均温度随深度的变化情况 不同深度土壤温度季节波动情况 根据 ASHRAE Handbook: HVAC
Applications.( 1995) 的分类, 地源热泵属 于地热能资源( Geothermal Energy Sourse) 利用的一个大类, 地源热泵按照室外换热方 式不同又可分为四类: 1. 埋管式土壤源热泵 系统, 2. 地下水热泵系统, 3.单井换热热井
4.地表水热泵系统。根据循环水是否为密闭 系统, 地源又可分为闭环和开环系统。
北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热 以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调, 这些国家更为关注地下季节性蓄能应用, 地源 热泵又能够归类于地下季节性蓄能( Underground Thermal Energy Storage, UTES) 应用领域, 其中最重要的、 占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能( DTES or BTES) 与热泵机组

壤源热泵系统) , 如下图所示的分类:

第二部分、 地源热泵系统的分类与应用方式

一、 地源热泵系统的分类

1、 埋管式土壤源热泵系统

也称地下耦合热泵系统( Ground-couple heat pumps GCHPs) 或土壤热交换器地源热泵( Ground heat exchanger heat pumps) , 包括一个土壤耦合地热交换器, 它或是水平地安装在地沟中, 或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。经过中间介质( 一般为水或者是加入防冻剂的水) 作为 热载体, 使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动, 从而实现与大地土壤进行 热交换的目的。
1) 水平埋管地源热泵系统( Horizontal ground-coupled heat pump) 比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,能够把与单回路管子随开挖土 方施工直接埋入地下.

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当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有 以下两种.
( a) 串联式水平埋管

( b) 并联式水平埋管

2) 垂直埋管地源热泵系统( Vertical borehole ground-coupled heat pump)

( a) 比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,换热器井数比较少能够直 接接入机房
( b) 当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题,一般是若

干口井汇集到集水器中, 然后统一由干管接入机房。

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( c) 垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫: 桩基换热器( 或叫做能量桩, Energy Piles) ,

即在桩基里布设在换热管道。

( d) 地热智能桥,类似桩基换热器, 由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。 雪落到桥面后, 这些盘管利用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。

3) 螺旋埋管地源热泵系统( slinky ground-coupled heat pump)

( a) 长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统

( b) 长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统( 盘旋布置埋管地源热泵系统)

( c) 螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫: 沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统, 也

有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。

2、 地下水热泵系统( Groundwater heat pumps, GWHPs)

也就是一般所说的深井回灌式水源热泵系统。经过建造抽水井群将地下水抽出, 经过二次

换热或直接送至水源热泵机组, 经提取热量或释放热量后, 由回灌井群灌回地下。 无论是深井水, 还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。地下水位于较深的地方, 由于
地层的隔热作用, 其温度随季节气温的波动很小, 特别是深井水的水温常年基本不变, 对热泵 的运行十分有利。深井水的水温一般约比当地气温高 1~2℃。
一般系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行。

单井换热热井( Standing column well heat pumps, SCW) 也就是单管型垂直埋管地源热泵, 在国外常称为"热井"。这种方式下, 在地下水位以上用钢套作为护套, 直径和孔径一致; 地下 水位以下为自然孔洞, 不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入, 其中一部分在 地下水位以下进入周边岩土换热, 其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通 过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层, 典型孔径为
150mm, 孔深 450m。

3、 地表水热泵系统( Surface-water heat pumps, SWHPs) : 由潜在水面以下的、 多重并联的 塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器, 它们被连接到建筑物中, 而且在北方地区 需要进行防冻处理。利用包括江水、 河水、 湖水、 水库水以及海水作为热泵冷热源。

4、 另外, 还有一种”直接膨胀式”( Direct-Expansion) , 它不象上述系统那样采用中间介质

水来传递热量, 而是直接将热泵的蒸发器( Refrigerant in Tubes) 直接埋入地下进行换热, 即制冷剂直接进入地下回路进行换热, 由于取消了板式或者套管式式换热器, 换热效率有所提 高, 可是由于制冷剂使用量比较大, 整体经济性和安全性不高。

二、 地源热泵应用方式 地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类,
1. 家用系统 用户使用自己的热泵、 地源和水路或风管输送系统进行冷热供应, 多用于小型住宅, 别墅等户 式空调。
2.商用系统

从输送冷热量方式可分为集中系统、 分散系统和混合系统。

1) 集中系统

热泵布置在机房内, 冷热量集中经过风道或水路分配系统送到各房间。
2) 分散系统 用中央水泵, 采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源, 用户单独使用自己的热泵机组调节 空气。一般用于办公楼、 学校、 商用建筑等, 此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上, 便于计量, 适用于当前的独立热计量要求。

3) 混合系统

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将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统, 混合系统与分散系统非常类似, 只是 冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。 南方地区, 冷负荷大, 热负荷低, 夏季适合联合使用地源和冷却塔, 冬季只使用地源。北方地 区, 热负荷大, 冷负荷低, 冬季适合联合使用地源和锅炉, 夏季只使用地源。这样可减少地源 的容量和尺寸, 节省投资。
分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。

4) 水环路热泵空调系统

水环路热泵(Water-Loop Heat Pump, 简称 WLHP)空调系统, 它由许多台水源热泵空调机(WSHP)

暖工况下热泵热源。水环路的冷热源能够是地源, 或锅炉、 冷却塔联合方式。夏季运行: 全部

或大多数机组为供冷, 热量水环路排至室外的冷源, 如地源或冷却塔。 春季/秋季运行: 对有内区与周边区的建筑物, 会出现内区需要供冷而周边区需要供热, 内区的 热量就可被周边区所利用, 即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时, 室外的 冷热源能够停运。这种制冷供热同时进行, 能量在建筑物内部转移, 运行费用最少, 节能效果 明显。
冬季运行: 全部或大多数机组为供热, 供热源( 地源或加热源) 把热量补充到水环路。

第三部分、 地源热泵的方案设计

一、 地源热泵( GSHP) 的系统选型设计
1.确定建筑物的冷热设计负荷 设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的, 根据设计负荷设计空气分布系统( 送风口,
回风口和风管系统) , 设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑 物的最大负荷时, 必须逐时计算出每个房间、 每个区域所必须的负荷信息, 并求出其中的最大 值。 为了进一步分析土壤热泵系统的能耗情况, 必须对建筑物进行必要的能耗计算。一般所采 用的方法有: 度日法, 温频法和逐时法。
度日法是最简单的计算方法, 但一般结果不理想。当系统运行效率取决于室外空气条件时, 不能采用度日法计算该系统的能耗, 例如土壤热泵系统。
温频法是将全年温度划分为若干组, 分别计算系统在每个温度组内的能耗量。温频法考虑 到了外空气的影响和部分负荷工况的影响, 而且该方法能够经过精确划分满足特殊系统的要求。 温频法计算能耗对于手算和计算机计算都很方便。
逐时法主要是用于需要确定大量细节的大型建筑的能耗计算, 由于其计算量非常大, 一般 采用计算机计算。
2.热泵机组的选择 对住宅和商业系统来说, 设备一般是一个机组模块, 一旦选定一个机组, 则许多参数都是
固定的, 调节的余地不大。例如, 土壤热泵的设计水流量的调节范围也是有限的。因此, 系统 的其它部分如风机盘管系统或土壤换热器以及防冻循环泵等都必须与热泵的制热( 冷) 量要求 相匹配。在大型建筑热泵系统内, 一般要采用二次输送系统。在这种系统中, 中央机组的确定 应满足建筑物的最大负荷。而二次输送系统中的空气处理器的换热能力应满足该区域的当地负 荷。
2.1 热泵容量的选择: 热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热
负荷还是冷负荷呢? 这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。当系统的制冷量大于冷负荷时, 系统必须频繁的启动, 这会造成盘管的平均温度升高, 同时又不能去除室内空气中的湿度, 频 繁的循环还会降低设备的使用寿命, 降低运行效率, 增加制冷过程的运行费用。设备选得过大 也会增加系统的初投资。因此, 在江苏地区选择热泵一般情况下应该以冬季热冷负荷为依据。

由于在南方地区冷负荷相对较高, 而冬季的热冷负荷相对较低, 在这种情况下, 设备容量的选

择能够适当偏大, 但一般不要超过热负荷的 25%。

2.2 热泵性能的确定: 假定其它变量如空气体积流量, 室内空气温度等保持不变, 则土壤热泵的性能取决于热泵
的进水温度, 必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关, 如一年的 运行时间, 土壤类型, 土壤换热器的类型、 大小等。当季节变化时, 如果系统不频繁运行, 进 水温度大约和地下土壤的温度相同。
3、 地源热泵循环水的换热量计算 由于无论是土壤热泵系统的土壤换热器, 水源热泵系统的管井还有地表水热泵系统的地表
水换热器设计需要知道在某一特定阶段内从地下吸取的热量或释放到地下的热量, 即地源热泵 循环水的换热量, 一般应满足一年中最冷月和最热月的要求。
在供冷季节, 输入系统的所有能量都必须释放到地下, 这些能量包括系统热负荷、 系统耗 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, 从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功。输入的热量包括压缩 机耗功量和循环水泵的耗功量。
冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。能够由下述

公式计算:

1 1
Q ′ = Q
⎛ 1 ⎞
× ⎜1 + ⎟

kW ( 1)

⎝ COP1 ⎠

2
2
Q ′ = Q
⎛ 1 ⎞
× ⎜1 − ⎟

kW ( 2)

⎝ COP2 ⎠

1
其中Q ′ ——夏季向浅层地表排放的热量, kW,
′
Q1 ——夏季设计总冷负荷, kW

Q2 ——冬季从浅层地表吸收的热量, kW,
Q2 ——冬季设计总热负荷, kW

COP1 ——设计工况下水-水热泵机组的制冷系数

COP2 ——设计工况下水-水热泵机组的供热系数

一般地, 水-水热泵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COP1 、 COP2 。若样本中无所需的设计工况, 可 以采用插值法计算。
4、 选择室内末端系统

地板采暖方式, 全空气系统等。一般采用风机盘管系统时, 空气分布系统的设计主要考虑以下

三个方面:

( 1) 选择安装风管的最佳位置;

( 2) 根据室内的得热量/热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置;

( 3) 根据热泵的风量和静压力, 布置风管的走向, 确定风管的尺寸。 室内末端系统一般采用既能供热又能供冷, 因此设计时必须二者兼顾。一个不能提供舒适
性环境的系统运行时效率必然很低。土壤热泵系统一般采用两种类型的送风系统: 地板四周下 送风系统和吊顶上送风系统。
对于只有一层的建筑来说, 热泵系统的送风装置的理想安装位置就是沿房间外墙地板或四 周的地板。这种送风方式是处理过的空气形成一股垂直向上分散的气流, 这使系统无论在冬季 还是夏季都能保证良好的气流分布和良好的舒适感。地板下送风系统一般采用吊顶回风或上回 风方式回风。上回风系统中, 顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸入回风管内, 当系统开始运 行时冷空气从地板下向上流动, 并充满整个房间。由于在制冷运行期间, 将最热的空气返回系 统, 故系统的效率较高。
由于经过土壤热泵系统处理的空气比空气源热泵处理的空气温度高, 但比从锅炉出来的空 气温度要低, 为了保证能有一个舒适的环境, 设计的风管和散流器应能向室内送入足够的风量。
5、 其它注意事项

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。
2 ) 在某些商用或公用建筑物的土壤热泵系统中, 系统的供冷量远大于供热量, 导致地下 热交换器十分庞大, 价格昂贵, 为节约投资或受可用地面积限制, 地下埋管能够按照设计供热 工况下最大吸热量来设计, 同时增加辅助换热装置( 如冷却塔＋板式换热器, 板式换热器主要 是使建筑物内环路能够独立于冷却塔运行) 承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散 热量。该方法能够降低安装费用, 保证土壤热泵系统具有更大的市场前景, 特别适用于改造工 程。

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分, 是土壤源热泵系统设计的核心内容, 其

选择的形式是否合理, 设计的是否正确, 关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。 地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择, 管径、 管长及竖井数目、 间 距确定, 管道阻力计算及水泵选型等。对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要
的同时成本最低。土壤换热器的选型主要涉及以下几个方面:

1、 土壤换热器埋管的布置型式 当前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布置型式, 即水平埋管和垂直埋管。选择方式主

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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。尽管水平布置一般是浅层埋管, 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, 而且往往受可利用土
地面积的限制, 故一般采用垂直埋管布置方式。

1.1 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。

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。

管路的埋设视岩土情况, 可采取挖沟或大面积开挖方法, 在商用建筑的施工中常借助水利 工程相关施工机械如开渠机等。

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从国内实际工程经验看中, 单层管最佳深度 1.2～2.0m, 双层管 1.6～2.4m, 但无论任何情
况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅, 其埋管换热器性能不如垂直埋管, 而且施 工时, 占用场地大, 在实际使用中, 往往是单层与多层互相搭配; 螺旋管优于直管, 但不易施 工。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
( 如欧洲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。位于美国北方一 工程水平埋管系统的典型实例显示, 地下埋管换热器有效换热量 70kW, 系统液体的流量为
13.6m3/h(3.8 L /s)。24 个循环回路, 12 条沟, 沟间距 1.5m。每个回路的换热负荷 2.92kW, 液体 流量 0.57m3/h(0.158 L /s), 单位换热量的液体流量为 0.195m3/h·kW( 3.25L/min·kW) 。可利用

的地面积是 83m×30m=2 490m2。
1.2 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) 。
当前使用最多的是单 U 形管( Single-U-pipe) , 双 U 形管( Double-U-pipe) , 简单套管式管
( Simple Coaxial pipe) , 下面作一简述。

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( 主要是流量不宜过大所限) 。由于其施工简单, 换热性能较好, 承压高, 管路接头少, 不易泄漏等原因, 当前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了 48 万 m2 空调建筑的地源热泵系统, 有 390 个深度超过 120m 的地下埋管, 据介绍, 采用这种地源热 泵系统较常规空调每年可节约各种费用 45.5 万美元, 其中能量费用 33 万美元, 节电 25%, 节约 燃料费 70%。
国外有的工程把 U 形管捆扎在桩基的钢筋网架上, 然后浇灌混凝土, 不占用地面, 这种技 术称为桩基换热器或是能量桩。也有直接在建筑物框架内直接埋设布置管道, 作为厚板埋管工 程( embedded pipework slab) 的一个应用。

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如瑞士某工厂地源热泵系统从 600 个桩基中吸收热量或冷量, 用于 2 万平方米建筑物的供
暖和制冷。

2) 套管式换热器的外管直径一般为 100～200mm, 内管为φ15～φ25ｍｍ。由于增大了管 外壁与岩土的换热面积, 因此其单位井深的换热量高, 根据文献试验结果, 其换热效率较 U 形 管提高 16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大, 下管比较困难, 初投资比 U 形管高。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。为防止漏水, 套管端部封头部分宜由工厂加工制作, 现场安装, 以保证 严密性。

2、 土壤换热器的埋管深度 水平埋管埋设情况比较简单, 前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况,
工程及场地的大小, 投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。结合国情与工程实践, 其中有几

点应注意到: ①钻井深 60m 以内井深的钻机成本少, 费用低, 如果大于 60m, 其钻机成本会提
高; ②井深 80m 以内, 可用国产普通型承压( 承压 1.0MPa) 塑料管, 如深度大于 80m, 需采用 高承压塑料管, 其成本大大增加; ③据比较, 井深 50m 的造价比 100m 的要低 30%～50%。上 述是针对地面中央机房而言, 如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。
一般来讲, 浅埋管优点是: 投资少, 成本低, 钻机要求不高, 可使用普通承压( 0.6～1.0MPa) 的塑料管, 由于受地面温度影响, 一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大, 管路接头多, 埋管换热效率较中深埋者低。
深埋管优点是: 占用场地面积小, 地下岩土温度稳定, 换热效率高, 单位管长换热量大, 管路接头少。其缺点是投资大, 成本高, 需采用高承压( 1.6～2.0MPa) 塑料管, 钻机性能要求 高; 由于深层岩土温度场受地面温度影响很小, 因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡, 否则将影响地源热泵的长期使用效果。在国外, 有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措 施, 帮助地下岩土实现热平衡。
中埋管介于浅、 深埋两者之间, 塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看, 中埋的地源热泵占多数。
在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、 垂直式埋管深度多大, 取决于场地大小、 当地 岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石, 则水平式较经济, 如果采用布管机进行多 管布置还可减少场地占用面积。

当场地面积有限时则应采用垂直式埋管, 很多情况下这是唯一选择, 如果场地中有坚硬的 岩石, 则必须更换专用的钻岩石的钻头。

3、 地下埋管系统环路方式
3.1 串联方式和并联方式 在串联系统中, 几个井( 水平管为管沟) 只有一个流通通路; 并联方式是一个井( 管沟)
有一个流通通路, 数个井有数个流通通路, 美国北方一典型的并联系统, 地下埋管换热器换热 量 70kW, 孔间距 4.5m, 与建筑物边界间距 3m, 占地面积为 45m×15m=675m2。在同样埋管的 换热量下, 垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少 73%左右。
串联方式的优点是: 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于 并联方式。其缺点是: 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。
并联方式的优点是: 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。其缺点是: 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。

3.2 同程式和异程式 根据分配管和总管的布置方式, 有同程式和异程式系统。在同程式系统中, 流体流过各埋
管的流程相同, 因此各埋管的流动阻力、 流体流量和换热量比较均匀。异程式系统中流体经过 各埋管的路程不同, 因此各个埋管的阻力不相同, 导致分配给每个埋管的流体流量也不均衡, 使得各埋管的换热量不均匀, 不利于发挥各埋管的换热效果。

实际工程中采用同程式者居多。布置成同程式时, 当每个并联环路之间流量平衡时, 其换热量

相同, 其压降特性有利于提高系统能力。

4 土壤换热器的埋管材料
4.1 管材选择 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。60 年代以前, 地下埋管多用金属管, 虽然它的传热性能好, 但耐腐蚀性差, 使用 10～20 年就已腐蚀坏, 严重降低了地源热泵的使用 寿命, 因此也阻碍了地源热泵的发展。地下埋管系统换热器需要埋入地下的管道的数量较多, 多半优先考虑使用价格较低的管材。70 年代, 性价比优异的树脂管材出现, 克服了金属管的缺 点, 大大促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯( PE) 和聚丁烯( PB) 管柔韧性好, 强度高, 而 且能够经过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头, 能够在额定温度和压力工况下保证使 用 50 年以上, 因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于 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。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 当前实际应用不多。
4.2 选择埋管种类应注意的问题
1) 了解制造商提供管子所属的”管子体系”, 该管子是由何种树脂制作而成, 抵抗环境应 力致裂的能力, 有关管子材料说明和安装方法。( PE 材料按照国际上统一的标准划分为五个等 级: PE32 级、 PE40 级、 PE63 级、 PE80 级和 PE100 级。用于地源热泵管道 PE 管的生产为高密 度聚乙烯 HDPE, 其等级是 PE80、 PE100 两种) 。
2) 应选择导热系数大, 流动阻力小, 热膨胀性好, 工作压力符合系统要求, 工作温度-20～
70℃, 售价相应较低的管材。
3) 在保证要求情况下, 选择的管材管壁尽量薄, 配套用管件不应选择金属的, 最好选用 相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。
4) 应要求厂家提供管子阻力计算用的图、 表或相应的数据。
5) 能按用户要求的管子长度, 成捆供应, 以减少埋管接头数量。
6) 选用管子时注意管子的外径、 内径及厚度。一般常见的塑料管规格为: 3/4"(φ25×2.3, di=20.4); 25.4mm, 即 1"(φ32×2.9, di=26.2); 31.75mm, 即 1 又 1/4"(φ40×3.7, di=32.6); 38.1mm, 即 1 又 1/2"(φ50×4.6,di=40.8); 50.8mm, 即 2"(φ63×5.8, di=51.4)。

4.3 管件与连接
1) 常见的各种管件见下图

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2) 管群的常见连接方式见下图

3) 管子联接方法有热熔联接和电熔联结( 采用这两种连接方式的优点是接口处的强度甚至比管 材本身的强度更高) , 前者由于价格优势被经常采用又能够分为两种: 承接联接和对接联接, 对于小管径常采用前者。

5 确定埋管管长与埋管间距

地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外, 还需要有当地的土壤技术资

料, 如地下温度、 传热系数等( 能够经过热响应实验测得) 。

5.1 水平埋管: 确定管沟数目及间距 在方案设计阶段中, 能够利用管材”换热能力”来估算埋管管长。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,
单沟单管埋管总长具体计算公式如下:

其中 L ——埋管总长, m
′
Q1 ——冬季从土壤取出的热量, Kw,

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) 。视现场情况和工程大小, 埋管可沿建筑物周围布置成任意形 状, 如线形、 方形、 矩形、 圆弧形等等。但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