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地源热泵地埋管设计
（一）管材选择及流体介质
一、管材
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。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国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。
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、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、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、连接
1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）
2、电熔联结
三、流体介质及回填料
流体介质
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）。
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<37℃，与冷却塔进水温度相同。
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。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
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。
（二）埋管系统环路
一、埋管方式
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。（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m）
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。
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）。
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。
2）套管式换热器：的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。其换热效率较U 形管提高16.7%。缺点：⑴下管比较困难，初投资比U 形管高。⑵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。
二、地下埋管系统环路方式
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种。
三、地埋管打孔孔径
孔径： 根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
（三）地下埋管系统设计
一．地下换热量计算
地下换热量可以由下述公式计算：
Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）
Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）
其中Q1'——夏季向土壤排放的热量，kW
Q1——夏季设计总冷负荷，kW
Q2'——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
一般地，水源热泵机组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 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
二、地下热交换设计
1.水平埋管：
确定管沟数目:
埋管管长的估算：利用管材“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，即20 W/m。
单沟单管埋管总长具体计算公式如下：L=Q/20
其中L ——埋管总长,m
Q ——冬季从土壤取出的热量，w
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）。
确定管沟间距：
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。
建议串联每沟1 管，管径1/4“～2”；串联每沟2 管， 1 又1/4“～1 又1/2”。并联每沟2 管， 1“～1 又1/4”；并联每沟4～6 管，管径13/4“～1”。
管沟间距：每沟1 管的间距1.2m，每沟2 管的间距1.8m，每沟4 管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。
2、竖直埋管
确定竖井埋管管长
一般垂直单U 形管埋管的换热能力为60～80 W/m(井深)，垂直双U 形管为80～100W/m(井深)左右，设计时可取换热能力的下限值。
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）左右。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），双U管设计具体计算公式如下：
L=Q1/25 （3）
其中 L——竖井埋管总长，m
Q1——夏季向土壤排放的热量，W
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
确定竖井数目及间距
国外，竖井深度多数采用50～100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:
N=L/(4*H) （4）
其中 N——竖井总数，个
L——竖井埋管总长，m
H——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的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。
关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为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。
工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m
一、管材
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。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国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。
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、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、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、连接
1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）
2、电熔联结
三、流体介质及回填料
流体介质
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）。
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<37℃，与冷却塔进水温度相同。
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。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
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。
（二）埋管系统环路
一、埋管方式
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。（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m）
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。
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）。
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。
2）套管式换热器：的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。其换热效率较U 形管提高16.7%。缺点：⑴下管比较困难，初投资比U 形管高。⑵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。
二、地下埋管系统环路方式
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种。
三、地埋管打孔孔径
孔径： 根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
（三）地下埋管系统设计
一．地下换热量计算
地下换热量可以由下述公式计算：
Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）
Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）
其中Q1'——夏季向土壤排放的热量，kW
Q1——夏季设计总冷负荷，kW
Q2'——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
一般地，水源热泵机组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 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
二、地下热交换设计
1.水平埋管：
确定管沟数目:
埋管管长的估算：利用管材“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，即20 W/m。
单沟单管埋管总长具体计算公式如下：L=Q/20
其中L ——埋管总长,m
Q ——冬季从土壤取出的热量，w
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）。
确定管沟间距：
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。
建议串联每沟1 管，管径1/4“～2”；串联每沟2 管， 1 又1/4“～1 又1/2”。并联每沟2 管， 1“～1 又1/4”；并联每沟4～6 管，管径13/4“～1”。
管沟间距：每沟1 管的间距1.2m，每沟2 管的间距1.8m，每沟4 管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。
2、竖直埋管
确定竖井埋管管长
一般垂直单U 形管埋管的换热能力为60～80 W/m(井深)，垂直双U 形管为80～100W/m(井深)左右，设计时可取换热能力的下限值。
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）左右。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），双U管设计具体计算公式如下：
L=Q1/25 （3）
其中 L——竖井埋管总长，m
Q1——夏季向土壤排放的热量，W
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
确定竖井数目及间距
国外，竖井深度多数采用50～100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:
N=L/(4*H) （4）
其中 N——竖井总数，个
L——竖井埋管总长，m
H——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的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。
关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为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。
工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m
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