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1、地埋管的设计及施工一、 概述地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。这里我们着重讲述土壤源的一般情况。 土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器，即通过换热井，利用地下闭式环路实现系统与土壤之间的热量交换。该方案只需在建筑物的周边空地、道路或停车场打一些地耦管孔，室外水系统注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在空调室内和地下土壤之间进行转换。故该方案不需要直接抽
2、取地下水，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。二、 系统形式 1、埋管形式。 换热器埋管形式可采用垂直布置或水平布置方式，可在现场勘测的基础上，并结合现场可用地表面积、当地土壤类型及钻孔费用来确定。水平布置的方式通常为浅层埋管，可采用人工挖掘管沟，初投资一般较低，但其换热性能比垂直布置时差很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。 垂直埋管大致有3种形式，U型管、单管型、套管型。这三种形式中套管型的内外管中流体换热时存在热损失，单管型的使用受水文地质条件的限制，所以以U型管的应用最多，其管径一般在50mm
3、以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种，其中使用最普遍的是在每个竖井中布置单U型管。2、连接方式 地下换热器中流体流动的回路形式有串联和并联两种。串联系统管径较大，管道费用较高，并且压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，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。因此在实际工程中一般采用并联同程式。三、管材选择 一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不能进行维修和更换，这就要求地下埋管管材的化学性能性质稳定并且耐腐蚀。另外由于需要埋入地下的管道的数量较多，所以还应优先考虑使用
4、价格较低的管材。这样塑料管就成为首选。目前最长使用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔成更牢固的形状，使用寿命在50年以上。而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。四、 系统设计1、 建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。 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。可以由下述公式2计算：Q土1=Q1（1+1/COP1） Q土2=Q2（1-1/COP2）其中 Q土1-夏季向土壤排放的热量，kWQ1 -夏季设
5、计总冷负荷，kWQ土2-冬季从土壤吸收的热量，kW Q2-冬季设计总热负荷，kW COP1-设计工况下水源热泵机组的制冷系数 COP2-设计工况下水源热泵机组的供热系数2、管径的确定 在工程中确定管径须满足两个条件：a）管道要大到可以满足最小的输送功率；b）管道要小到足够使管道内保持湍流以保证流体与管道内壁的换热。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，地下换热器埋管常用管径有20，25，32，40，50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对于更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下，或把各管段每m当量长度的压力损失控制在0.04m以下。2、埋
6、管管长的确定 确定地下换热器长度除了要知道系统布置和管材外，还需要知道当地的土壤物性参数资料，如地下温度，传热系数等。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，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）。 设计时可取换热能力的下限值，即35w/m（垂直埋管管长），具体计算公式如下L=Q/35 m3、确定竖井数目及间距 在国外竖井深度多采用50-100m，设计者可以在此范围内先选择一个竖井的深度H，代入下式计算竖井数目：N=L/2H 式中N 竖井总数，H 竖井深度，2 竖井内管长约等
7、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。 关于竖井间距的有关资料指出，U型管竖井的水平间距一般为4.5m，也有实例中提到DN25的管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井的水平间距为3m。若采用串联连接方式。可采用三角形布置来节约占地面积。5、管道的压力损失 在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力转换为当量长度，然后和管道实际长度相加得到不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量不同管径管道每100m的压降，将所有管道管段压降相加得到总阻力。6
8、、水泵选型 根据上述计算最不利环路所得到的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，并考虑一定的安全裕量，可以得到水泵的扬程。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵的型号和数量。7、校核管材承压能力 管道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合，即 P=P0+gh+0.5Ph8、附件 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。五、其它 在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，
9、价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以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可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降低安装费用，保证地源热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程。设计实例上海某住宅，空调面积212m2，1、 空调负荷及主要设备选择 参考产归空调冷热负荷的计算方法，计算得到各房间的冷热负荷并选择风机盘管型号，取房间同时使用系数为0.8，得到建筑物夏季总冷荷为24.54KW，冬季设计总热负荷炜16.38KW，选择WPWD72型水源热泵机组2台，本设计
10、工况下COP1=3.3 COP2=3.72、 计算地下换热量 Q土1=Q1（1+1/COP1）=25.54（1+1/3.3）=31.98KW Q土2=Q2（1-1/COP2）=16.38（1-1/3.7）=11.95KW取夏季向土壤排放的热量Q土1进行设计计算3确定管材和埋管管径选用聚乙烯管材PE63(SDR11)，并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25，DN32，DN40和DN50。4、 确定竖井埋管管长L= Q土11000W / 35w/m=31.981000/35=914m5、 确定竖井数目及间距 选取竖井深度50m N=L/2N=914m圆井后取竖井为10个，竖井间距取4.5m地下换热器布置见图6、 计算地埋管压力损失7、 分别计算各管段压力损失，得到各管段总压力损失为40Kpa，再加上连接到热泵机组的管路的压力损失，以及热泵机组的,平衡阀门和其它设备元件的压力损失,所选水泵扬程为15m.8、 校核管材承压能力 上海大气压 夏季Po=100530pa，水的密度1000Kg/m3 当地自由落体加速度g=9.8m/s2, 高度差h=50.5m则管路最大压力P=Po+gh +0.5Ph=668959Kp(约0.7MP)聚乙烯PE63(SDR11)额定承压能力为1.0Mp，满足设计要求
