地源熱泵地埋部分設(shè)計
（一）管材選擇及流體介質(zhì)
一,、管材
1,、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,。
2,、PVC（聚氯乙烯）管的導(dǎo)熱性差和可塑性不好,，不易彎曲,，接頭處耐壓能力差,，容易導(dǎo)致泄漏,，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC 管。
3,、為了強(qiáng)化地下埋管的換熱,，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實際應(yīng)用不多,。
4,、管件公稱壓力不得小于1.0Mpa，工作溫度應(yīng)在-20℃～50℃范圍內(nèi),。
5,、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇。
6,、地埋管應(yīng)能按設(shè)計要求長度成捆供應(yīng),，中間不得有機(jī)械接口及金屬接頭。
二,、連接
1,、熱熔聯(lián)接（承接聯(lián)接和對接聯(lián)接，對于小管徑常采用）
2,、電熔聯(lián)結(jié)
三,、流體介質(zhì)及回填料
流體介質(zhì)
南方地區(qū)：由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上,，因此多采用水作為工作流體,；
北方地區(qū)：冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃,，因此一般均需使用防凍液,。（①鹽類溶液——氯化鈣和氯化鈉水溶液；②乙二醇水溶液,；③酒精水溶液等）,。
埋管水溫：
1、熱泵機(jī)組夏季向末端系統(tǒng)供冷水,，設(shè)計供回水溫度為7—12℃,，與普通冷水機(jī)組相同。地埋管中循環(huán)水進(jìn)入U管的最高溫度應(yīng) <37℃,，與冷卻塔進(jìn)水溫度相同,。
2,、熱泵機(jī)組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下,，應(yīng)盡量減低供熱水溫度,，這樣可改善熱泵機(jī)組運(yùn)行工況、減小壓縮比,、提高cop值,，并降低能耗。 地埋管中循環(huán)水冬季進(jìn)水溫度,，以水不凍結(jié)并留安全余地為好,，可取3—4℃。當(dāng)然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量,，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱,，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0℃以下,，為此循環(huán)水必須使用防凍液,，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價,、增加對設(shè)備的腐蝕。在嚴(yán)寒地區(qū)不得不這樣做,，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿足要求,，不一定要加防凍液。地溫是恒定值,，可通過測井實測,。有關(guān)資料介紹某地地下約100米的地溫是當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶?℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃,，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃,，基本符合以上規(guī)律。
回填材料
可以選用澆鑄混凝土,、回填沙石散料或回填土壤等,。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能,、施工方便等因素,。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高,、施工難度大,，但可結(jié)合建筑物樁基一起施工?；靥钌呈蛩槭瘬Q熱效果比較好,，而且施工容易,、造價低，可廣泛采用,。
（二）埋管系統(tǒng)環(huán)路
一,、埋管方式
1、水平埋管
水平埋管主要有單溝單管,、單溝雙管,、單溝二層雙管、單溝二層四管,、單溝二層六管等形式,，由于多層埋管的下層管處于一個較穩(wěn)定的溫度場，換熱效率好于單層,，而且占地面積較少,，因此應(yīng)用多層管的較多。（單層管最佳深度1.2～2.0m,，雙層管1.6～2.4m）
近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式,，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管,。它們的優(yōu)點是使地溝長度縮短,，而可埋設(shè)的管子長度增加。
2 ,、垂直埋管
根據(jù)埋管形式的不同,，一般有單U 形管，雙U 形管,，套管式管,，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管,、蜘蛛狀管等形式,；按埋設(shè)深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）,。
1）U 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U 形管,，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m,，U 形管徑一般在φ50mm 以下,。
2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為φ15～φ25ｍｍ,。其換熱效率較U 形管提高16.7%,。缺點：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內(nèi)管進(jìn),、出水連接處不好處理,，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管,，對中埋采用此種形式宜慎重,。
二、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式
1,、串聯(lián)方式
優(yōu)點：①一個回路具有單一流通通路,，管內(nèi)積存的空氣容易排出；
②串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子,，因此對于單位長度埋管換熱量來講,，串聯(lián)方式換熱性能略高
缺點：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高,；
②由于系統(tǒng)管徑大,，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液（如乙醇水溶液）多,；
③安裝勞動成本增大,；
④管路系統(tǒng)不能太長，否則系統(tǒng)阻力損失太大,。
2,、并聯(lián)方式
優(yōu)點：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低,；
②所需防凍液少,；
③安裝勞動成本低。
缺點：
①設(shè)計安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高,，以充分排出空氣；
②各并聯(lián)管道的長度盡量一致（偏差應(yīng)≤10%）,，以保證每個并聯(lián)回路有相同的流量,；
③確保每個并聯(lián)回路的進(jìn)口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱,，可達(dá)到此目的,。
從國內(nèi)外工程實踐來看，中,、深埋管采用并聯(lián)方式者居多,；淺埋管采用串聯(lián)方式的多
三、地埋管打孔孔徑
孔徑：
根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,，鉆孔孔徑可以是Ф100,、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)地表土壤層很厚,，為了鉆孔,、下管方便多采用Ф300孔徑。
（三）地下埋管系統(tǒng)設(shè)計
一．地下?lián)Q熱量計算
地下?lián)Q熱量可以由下述公式計算：
Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）
Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）
其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量,，kW
Q1——夏季設(shè)計總冷負(fù)荷,，kW
Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW
Q2——冬季設(shè)計總熱負(fù)荷,，kW
COP1——設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)
COP2——設(shè)計工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)
一般地,，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù),、供熱系數(shù),，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的 、 ,。若樣本中無所需的設(shè)計工況,，可以采用插值法計算。
二,、地下熱交換設(shè)計
1.水平埋管：
確定管溝數(shù)目:
埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”,，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長）左右,，,；設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即20 W/m,。
單溝單管埋管總長具體計算公式如下： L=Q/20
其中L ——埋管總長,，m
Q ——冬季從土壤取出的熱量，w
分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量,，W/m
單溝雙管,、單溝二層雙管、單溝二層四管,、單溝二層六管布置時分別乘上0.9,、0.85、0.75,、0.70 的熱干擾系數(shù)（熱協(xié)調(diào)系數(shù)）,。
確定管溝間距：
為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距,。該間距的大小與運(yùn)行狀況（如連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行,；間歇運(yùn)行的開、停機(jī)比等）,、埋管的布置形式（如單行布置,，只有兩邊有熱干擾；多排布置，四面均有熱干擾）等等有關(guān),。
建議串聯(lián)每溝1 管,，管徑1/4"～2"；串聯(lián)每溝2 管,， 1 又1/4"～1 又1/2",。并聯(lián)每溝2 管， 1"～1 又1/4",；并聯(lián)每溝4～6 管,，管徑13/4"～1"。
管溝間距：每溝1 管的間距1.2m,，每溝2 管的間距1.8m,，每溝4 管間距3.6m。管溝內(nèi)最上面管子的管頂?shù)降孛娴牡淖钚「叨炔恍∮?.2m,。
2,、豎直埋管
確定豎井埋管管長
一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m(井深)，垂直雙U 形管為80～100W/m(井深)左右,，設(shè)計時可取換熱能力的下限值,。
一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長),，水平埋管為20～40W/m（管長）左右,。
設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長）,，雙U管設(shè)計具體計算公式如下：
L=Q1/25 （3）
其中 L——豎井埋管總長,，m
Q1——夏季向土壤排放的熱量， W
分母“35”是夏季每m管長散熱量,，W/m
確定豎井?dāng)?shù)目及間距
國外,，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H,，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目:
N=L/(4*H) （4）
其中 N——豎井總數(shù),，個
L——豎井埋管總長，m
H——豎井深度,，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結(jié)果進(jìn)行圓整,，若計算結(jié)果偏大,，可以增加豎井深度，但不能太深,，否則鉆孔和安裝成本大大增加,。
關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m[3]，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m,，而DN20的U型管,，其豎井水平間距為3m[4]。若采用串聯(lián)連接方式,，可采用三角形布置（詳見[2]）來節(jié)約占地面積,。
工程較小，埋管單排布置,，地源熱泵間歇運(yùn)行,，埋管間距可取3.0m；工程較大,，埋管多排布置,，地源熱泵間歇運(yùn)行，建議取間距4.5m,；若連續(xù)運(yùn)行（或停機(jī)時間較少）建議取5～6m
注意事項
1,、垂直地埋管換熱器埋管深度應(yīng)大于30m，宜為60m～150m,；鉆孔間距宜為3m～6m,。水平管埋深應(yīng)不小于1.2m。
2,、地埋管換熱器水平干管坡度宜為0.3%,，不應(yīng)小于0.2%。
3,、地埋管環(huán)路之間應(yīng)并聯(lián)且同程布置,，兩端應(yīng)分別與供、回水管路集管相連接,。每個環(huán)路集管連接的環(huán)路數(shù)宜相同,。
4、地埋管換熱器宜靠近機(jī)房或以機(jī)房為中心設(shè)置,。鋪設(shè)供,、回水集管的管溝宜分開布置；供,、回水集管的間距不應(yīng)小于0.6m,。
三、管徑與流速設(shè)計
1,、確定管徑
在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：
（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率,；
（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。
顯然,，上述兩個要求相互矛盾,，需要綜合考慮,。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑,，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm,、25mm、32mm,、40mm,、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道,，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH２O/100m當(dāng)量長度以下,。
備注：
① 地下埋管換熱器環(huán)路壓力損失限制在30～50kPa/100m 為好，最大不超過50kPa/100m,。同時應(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(qū),。
② 地下埋管系統(tǒng)單位冷噸（1 冷噸=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s．t
③ 最小管內(nèi)流速（流量）：在相同管徑、相同流速下,，水的雷諾數(shù)最大大,。所以采用CaCl2 和乙二醇水溶液時，為了保證管內(nèi)的紊流流動,，與水相比需采用大的流速和流量,。
2、校核管材承壓能力
管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力,。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消,，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和[1],，即：
P=P0+ρgH+0.5Ph
其中 p——管路最大壓力,，Pa
P0——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a
ρ——地下埋管中流體密度,，kg/m3
g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2
H——地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點的高度差，m
Ph——水泵揚(yáng)程,，Pa
3其它
3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似,，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處（一般為1m）設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件,。
（四）設(shè)計舉例
一．設(shè)計參數(shù)
上海某復(fù)式住宅空調(diào)面積212m2,。
1、室外設(shè)計參數(shù)
夏季室外干球溫度tw＝34℃, 濕球溫度ts＝28.2℃
冬季室外干球溫度tw＝-4℃, 相對濕度φ＝75％
2,、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
夏季室內(nèi)溫度tn＝27℃, 相對濕度φn＝55％
冬季室內(nèi)溫度tn＝20℃, 相對濕度φn＝45％
二．計算空調(diào)負(fù)荷及選擇主要設(shè)備
1,、參考常規(guī)空調(diào)建筑物冷熱負(fù)荷的計算方法，
計算得到各房間冷熱負(fù)荷并選擇風(fēng)機(jī)盤管型號,；考慮房間共用系數(shù)（取0.8）,，得到建筑物夏季設(shè)計總冷負(fù)荷為24.54kW，冬季設(shè)計總熱符負(fù)荷為16.38kW,，選擇NOBO SI20TR型地源源熱泵機(jī)組1臺,，本設(shè)計舉例工況下的 COP1＝5.9， COP2＝4.2,。
2,、計算地下負(fù)荷
根據(jù)公式（1）、（2）計算得
Q1'= Q1*(1+1/COP1)=24.54*(1+1/5.9)=28.7 kW
Q2'= Q2*(1-1/COP2)=16.38*(1-1/4.2)=12.48 kW
取夏季向土壤排放的熱量 進(jìn)行設(shè)計計算,。
3,、確定管材及埋管管徑
選用聚乙烯管材PE63（SDR11），并聯(lián)環(huán)路管徑為DN20,，集管管徑分別為DN25,、DN32、DN40,、DN50,，如圖1所示。
4,、確定豎井埋管管長
根據(jù)公式（3）計算得
L=28.7*1000/25=1148 m
5,、確定豎井?dāng)?shù)目及間距
選取豎井深度50m，根據(jù)公式（4）計算得
N=L/(4*H)=5.74 個
圓整后取 6 個豎井,，豎井間距取 4 m,。
6、計算地埋管壓力損失
參照本文2.6介紹的計算方法,，分別計算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10─11─11′－1′各管段的壓力損失,，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機(jī)組的管路壓力損失,，以及熱泵機(jī)組,、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，所選水泵揚(yáng)程為15mH2O,。
7,、校核管材承壓能力
南京夏季大氣壓力 P0＝100250 Pa，水的密度 ρ＝1000 kg/m3,，
當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g＝9.8 m/s2,， 高度差 H＝50.5 m
重力作用靜壓 ρgH＝494900 Pa
水泵揚(yáng)程一半 0.5Ph＝7.5 mH2O＝73529 Pa
因此，管路最大壓力 P=P0+ρgH+0.5Ph＝673550Pa（約0.7Mpa）
聚乙烯PE-100額定承壓能力為1.6MPa,，管材完全滿足設(shè)計要求,。
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