地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算
摘 要 本文介绍了地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算中的有关问题，其中包括埋管方式、埋管深度、地下埋管系统的环路形式、埋管材料、埋管间距、埋管系统的管径选择及水力和热力计算等问题。
关键词 地源热泵 地下埋管换热器 设计计算 Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ
Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒｍ ｏｆ Ｂｒｕｉｅｄ Ｐｉｐｅ Ｔｙｐｅ ｆｏｒ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ
by Liu Xianying* Ding Yong
Ａｂｓｔｒａｃｔ This paper introduces some problems of design calculating and heat exchanger systems form of buried pipe systems for ground source heat pump. It includes buried pipe form and depth of buried pipe, around the road form of buried pipe systems and materials of buried pipe, intermission of buried pipe, choices diameter and hydraulics and thermodynamics calculating problems for buried pipe systems et al. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ground source heat pump buried pipe type heat
exchanger design and calculating
*Chongqing University
0 引言
地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，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，本文就这方面的有关问题作些讨论，供同行们参考。
1 埋管形式
目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。
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[1]，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。按文献[1]介绍，单层管最佳深度0.8～1.0m ，双层管1.2～1.9m ，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。图1是水平埋管系统的典型实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器有效换热量70kW ，系统液体的流量为13.6m3/h(3.8l/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(0.158l/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，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋
（31～80m ）和深埋（>80m）。
目前使用最多的是U 形管、套管和单管式，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，目前应用最多。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。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[2]的试验结果，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。
3）单管型在国外常称为“热井”，它主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm 。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。 2 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，根据笔者的工程实践体会，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，用钻岩石的钻头可成功钻孔。
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，图2是串联和并联系统示意图。图3是垂直埋管典型的并联系统工程实例。该工程位于美国北方，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。与图1相比，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。
地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算
摘 要 本文介绍了地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算中的有关问题，其中包括埋管方式、埋管深度、地下埋管系统的环路形式、埋管材料、埋管间距、埋管系统的管径选择及水力和热力计算等问题。
关键词 地源热泵 地下埋管换热器 设计计算 Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ
Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒｍ ｏｆ Ｂｒｕｉｅｄ Ｐｉｐｅ Ｔｙｐｅ ｆｏｒ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ
by Liu Xianying* Ding Yong
Ａｂｓｔｒａｃｔ This paper introduces some problems of design calculating and heat exchanger systems form of buried pipe systems for ground source heat pump. It includes buried pipe form and depth of buried pipe, around the road form of buried pipe systems and materials of buried pipe, intermission of buried pipe, choices diameter and hydraulics and thermodynamics calculating problems for buried pipe systems et al. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ground source heat pump buried pipe type heat
exchanger design and calculating
*Chongqing University
0 引言
地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，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，本文就这方面的有关问题作些讨论，供同行们参考。
1 埋管形式
目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。
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[1]，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。按文献[1]介绍，单层管最佳深度0.8～1.0m ，双层管1.2～1.9m ，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。图1是水平埋管系统的典型实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器有效换热量70kW ，系统液体的流量为13.6m3/h(3.8l/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(0.158l/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，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋
（31～80m ）和深埋（>80m）。
目前使用最多的是U 形管、套管和单管式，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，目前应用最多。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。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[2]的试验结果，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。
3）单管型在国外常称为“热井”，它主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm 。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。 2 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，根据笔者的工程实践体会，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，用钻岩石的钻头可成功钻孔。
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，图2是串联和并联系统示意图。图3是垂直埋管典型的并联系统工程实例。该工程位于美国北方，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。与图1相比，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。