地源热泵地埋部分设计

摘要：随着物质生活条件的提升，人们对生活舒适度及周遭环境的关注度也在不断提升，低碳、环保、绿色、节能等词语不断出现在人们的生活中，如何更环保更舒适的生活成为人们关注的焦点，作为建筑耗能大户的空调系统也逐渐开始被关注，地源热泵空调系统以他绿色、环保、节能的特点逐渐被注意并开始广泛使用，但是作为空调系统中的新兴产业，还有很多技术上的问题有待完善，这里就讨论一下地源热泵地下埋管换热器部分。

关键词：地源热泵地埋管换热器环保 绿色节能

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

在闭式地源热泵系统中，需要在地下埋设寿命长、硬度高的塑料管，根据土地面积的不同可以采用水平环式或垂直环式。水或防冻剂水溶液在闭环管道内流动，冬季向热泵输送热量，夏季则将热量从热泵带走。

闭环地源热泵系统由三个必要环路组成，他们定义如下:

空气环路：此环路用于向建筑物输送空调气体。空气由鼠笼式风机输送到风道分配系统。风道尺寸的设计是由各个输送区域的冷、热负荷决定的。

制冷剂环路：此环路是密封的有压环路，将能量进行点到点的传输。制冷剂在压缩机的驱动下循环流动。压缩机是处于气态区的。

地下环路：此环路密封、有压，工质为水或防冻溶液，位于地面以下。冬季它从土壤中吸收热量，夏季向土壤释放热量。流体的循环动力由一个低能循环泵提供。

在热泵运行时，热能从一个环路被传输到另一个环路，用以供热、制冷和除湿。

大地是一个巨大的能量载体，每天吸收太阳辐射，并储存于自身，地下埋管换热器部分是地源热泵的核心部位，负责能量的转换，地埋换热器部分的好坏，直接影响到整个地源热泵空调系统的应用，对于地源热泵空调系统有着至关重要的作用。

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，因此对于地埋管的管材选择，连接方式，都提出了一定的要求。

一、地埋管管材选择

地下埋管换热器使用的管材应首先保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性，另外管材需要导热系数大、流动阻力小。

1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管的优良性能在国内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、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使用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，但目前实际操作中困难较大，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、地埋管连接要求

1、热熔联接

2、电熔联结

地埋管U型弯管接头需选用U型弯头成品件

三、地埋管流体介质

流体介质应选用安全、腐蚀性弱、与地埋管管材无化学反应，拥有较低的冰点，具有良好传热特性，摩擦阻力较低，易于购买、运输、储藏的物质。综合以上各点要求，流体介质以水为首选。

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）。

四、地埋管水温

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

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。

地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。苏州市年平均气温是15.5℃，实测苏州市地下约100米的地温约为19.5℃，基本符合以上规律。

五、地埋管回填材料

可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。

六、地埋管方式

1、水平埋管

水平埋管主要有几种形式：单管水平式埋地换热器（图1）、双管水平式埋地换热器

（图2）、四管水平式埋地换热器（图3）。

2 、垂直埋管

垂直埋管主要有几种形式：并联垂直式埋地换热器（图4）、串联垂直式埋地换热器（图5）。

七、地下埋管系统环路方式优缺点

1、串联方式

优点：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

缺点：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。

2、并联方式

优点：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。

缺点：

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

八、埋管换热器的主要组成部分

1、分水管和集水管

分水管和集水管是热泵与并联式埋地换热器系统内各个环路间的供、回水管道。用来输送热泵系统所有流体，集管由直径较大的管子制成以减少流体的沿程阻力损失。

2、环路

管道自分水器出来，经过钻孔或沟渠后再回到同一钻孔或沟渠，最后连接到集水器。

3、同程式系统

布置管道使用并联式系统的各个环路都有相同的进出口压力，最后连接到集水器。

U型弯头

盘管式埋地换热器中一个180°的零件，安装在钻孔的底部或沟渠的末端用来回水。

九、埋地换热器的尺寸和设计步骤

在对埋地换热器进行设计和定尺寸的过程中，应考虑以下几个方面：

热泵系统的循环水流量

循环流体的种类

预期进水温度的最小值

埋地换热器的设计过程如下:

选择埋地换热器的布置方式

设计者根据建筑用地的范围来选择埋地换热器的构造形式和布置方式。有很多种埋地换热器的布置方式可供设计者选择，常用的有：水平单管式、水平双管式、水平四管式、垂直单U形管环路、垂直双U管环路。

检验流体的最小流速

根据表1，检验流道内的流体速度是否达到了最小流速。如果没有达到，需要重新选择管道布置方式来提高流体的流速。不同种类的流体的最小流速也是不同的。

表1.紊流状态下管道内的最小流速

管子的公称尺寸 4.5℃的水 -4℃的20%

氯化钙溶液 -4℃的20%

丙二醇溶液 -4℃的20%

甲醇溶液

PE(SDR-11)

3/4” 1.1 2.3 3.4 2.4

1” 1.3 2.9 4.4 3.1

1 1/4” 1.7 3.6 5.5 3.9

1 1/2” 1.9 4.1 6.3 4.4

2” 2.4 5.2 7.9 5.5

PE(SCH40)

3/4” 1.0 2.2 3.3 2.3

1” 1.3 2.8 4.2 3.0

1 1/4” 1.7 3.7 5.6 3.9

1 1/2” 2.0 4.3 6.5 4.6

2” 2.5 5.5 8.4 5.9

PB(SDR-17，IPS)

1 1/2” 2.1 4.5 6.8 4.8

2” 2.6 5.6 8.5 5.9

PB(SDR-13.5，CTS)

1” 1.2 2.5 3.9 2.7

1 1/4” 1.4 3.1 4.7 4.9

1 1/2” 1.7 3.7 5.6 3.9

2” 2.2 4.8 7.3 5.1

排气的设计

保证系统内不能存在任何阻气器具。例如被变径弯头所取代的分集水器末端的“引出管”。总之，设计应当明确系统是如何组成的。

确定埋地换热器的长度

设计包括工程上广泛使用的管道。这个过程需要把埋地换热器的构造确定下来。除此之外，还需要了解在特定深度下土壤的温度和热传导方面的知识。步骤如下：

确定地下管道的位置

对于水平埋地换热器而言，需要把沟渠中管道的深度和间距以及沟渠的间距确定下来。设计者可以参考有关闭环地源热泵系统的设计手册进行计算。对于垂直式系统而言，设计者需要确定每个钻孔的深度，U型管的个数以及钻孔的间距。

确定地下土壤的温度

全年空气的温度、湿度和土壤的类型及植被情况，都对地下土壤温度有影响，可以使用下面的方法来确定土壤的温度：

以经验或测量数据为基础得到当地土壤的温度情况

利用表格来确定全年土壤波动的最高温度和最低温度

利用分析方程式来计算全年任何时候任何深度的土壤温度

确定土壤的最高温度和最低温度

根据当地的地质情况，选择所需土壤的平均温度，全年土壤温度波动和土壤表面的状态变化。

确定热泵的最大和最小的进水温度

水源热泵的性能参数可以从制造商处获得。闭环地源热泵系统设计所选用热泵的温度范围为-4℃-43℃，不是所有的热泵都有如此大的工作范围。

计算土壤与地下换热器之间的温差

在冬季供热时，计算土壤的最低温度（TL）与热泵的最小进水温度(TMIN)之间的温差。在冬季制冷时，计算土壤的最高温度(TH)与热泵的最大进水温度（TMAX）之间的温差。

THD= TL- TMIN=供热温差℃

TCD= TMAX- TH=制冷温差℃

计算管道对热流的热阻

可以通过查表和计算得到单管或其他形式换热器的管道热阻。对于单管，管道热阻：

对于两管（垂直式换热器），管道当量热阻：

计算土壤的热阻

计算土壤的热阻是一个非常费时的过程，本文不详细论述。

计算供热和制冷流程因子

计算埋地换热器的长度：

使用土壤的热阻值，在供热设计1月里和制冷设计7月里，利用流程因子对这些值进行修正。

供热：

制冷：

参考资料：

1、《地源热泵系统工程技术规范》(2009年版)GB50366-2005

2、《闭环地源热泵系统设计与安装手册》国际地源热泵协会