1地源熱泵系統設計的主要步驟

(1)建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算

建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，在此不再贅述。

冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式 [2]計算：

kW （1）

kW （2）

其中 Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q1——夏季設計總冷負荷，kW

Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設計總熱負荷，kW

COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數

一般地，水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數，計算時應從樣本中選用設計工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。

（ 2）地下熱交換器設計

這部分是地源熱泵系統設計的核心內容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。

（ 3）其它

2 地下熱交換器設計

2.1 選擇熱交換器形式

2.1.1 水平（臥式）或垂直（立式）

在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初一般會些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根據埋管方式不同，垂直埋管大致有 3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質條件的限制。U型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環路有3種，其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。

2.1.2 串聯或并聯

地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。結合上文，即常采用單 U型管并聯同程的熱交換器形式。

2.2 選擇管材

一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩定并且耐腐蝕。常規空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多，應該優先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（ PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統。

2.3 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保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損制在4mH２O/100m當量長度以下。

2.4 確定豎井埋管管長

地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。

文獻 [2]介紹了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣，并且部分數據不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，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[3]。

設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計算公式如下：

（3） 其中 Q1＇——豎井埋管總長，m

L ——夏季向土壤排放的熱量，kW

分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m

2.5 確定豎井數目及間距

國外，豎井深度多數采用 50～100m，設計者可以在此范圍內選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數目:

（4） 其中 N——豎井總數，個

L——豎井埋管總長，m

H——豎井深度，m

分母“2”是考慮到豎井內埋管管長約等于豎井深度的2倍。

然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，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]。若采用串聯連接方式，可采用三角形布置來節約占地面積。

2.6 計算管道壓力損失

在同程系統中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環路作為最不利環路進行阻力計算。可采用當量長度法，將局部阻力件轉換成當量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量度，再乘以不同流量、不同管徑管段每 100m管道的壓降，將管段壓降相加，得出總阻力。

5 結論

地源熱泵系統在我國長江流域及其周圍地區具有廣闊的應用前景，但有關影響地源熱泵系統廣泛應用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強化、土壤性質等）的研究還很有限，設計時大致可以遵循以下原則：

（ 1）若建筑物周圍可利用地表面積充足，應首先考慮采用比較經濟的水平埋管方式；相反，若建筑物周圍可利用地表面積有限，應采用豎直U型埋管方式。

（ 2）盡管可以采用串聯、并聯方式連接埋管，但并聯方式采用小管徑，初及運行費用均較低，所以在實際工程中常用，且為了保持各并聯環路之間阻力平衡，最好設計成同程式。

（ 3）選擇管徑時，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損制在4mH2O/100m（當量長度）以下，同時應使管內流動處于紊流過渡區。