螺旋埋管地源熱泵工程施工做法

【學(xué)員問題】地源熱泵的埋管？

【解答】1、土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟

（1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算

建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，在此不再贅述。

冬夏季地下?lián)Q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?？梢杂上率龉健2]計(jì)算：

kW、（1）

kW、（2）

其中、Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW

COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的、COP1、COP2、。若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。

（、2）地下熱交換器設(shè)計(jì)

這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)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?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。

（、3）其它

2、地下熱交換器設(shè)計(jì)

2.1、選擇熱交換器形式

2.1.1、水平（臥式）或垂直（立式）

在現(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)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，初投資一般會(huì)便宜些，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(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根據(jù)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(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)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(dá)180m.U型管的典型環(huán)路有3種，其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。

2.1.2、串聯(lián)或并聯(lián)

地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單、U型管并聯(lián)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(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)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(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。

2.3、確定管徑

在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)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(nèi)流速控制在1.22m/s以下，對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)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(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。

文獻(xiàn)、[2]介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟，、很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計(jì)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?dāng)?shù)目及間距

國外，豎井深度多數(shù)采用、50～100m，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目：

（4）其中、N——豎井總數(shù)，個(gè)

L——豎井埋管總長，m

H——豎井深度，m

分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。

然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)算結(jié)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(guān)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(shí)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(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。

2.6、計(jì)算管道壓力損失

在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實(shí)際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量度，再乘以不同流量、不同管徑管段每、100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。

5、結(jié)論

地源熱泵系統(tǒng)在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強(qiáng)化、土壤性質(zhì)等）的研究還很有限，設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)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(yīng)采用豎直U型埋管方式。

（、2）盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管，但并聯(lián)方式采用小管徑，初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，所以在實(shí)際工程中常用，且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡，最好設(shè)計(jì)成同程式。

（、3）選擇管徑時(shí)，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m（當(dāng)量長度）以下，同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動(dòng)處于紊流過渡區(qū)。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時(shí)溝通、指正。

【學(xué)員問題】地源熱泵的埋管的設(shè)計(jì)方法？

【解答】地源熱泵的埋管

1土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟

（1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，在此不再贅述。

冬夏季地下?lián)Q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(jì)算：

kW（1）

kW（2）

其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW

COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的COP1、COP2.若樣本中無所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。

（2）地下熱交換器設(shè)計(jì)這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)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?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。

（3）其它

2地下熱交換器設(shè)計(jì)

2.1選擇熱交換器形式

2.1.1水平（臥式）或垂直（立式）

在現(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)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，初投資一般會(huì)便宜些，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(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根據(jù)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(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)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(dá)180m.U型管的典型環(huán)路有3種，其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。

2.1.2串聯(lián)或并聯(lián)地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)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(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)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(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。

2.3確定管徑在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。

顯然，上述兩個(gè)要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)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(nèi)流速控制在1.22m/s以下，對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)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(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種計(jì)算方法共分9個(gè)步驟，很繁瑣，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計(jì)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?dāng)?shù)目及間距國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m，設(shè)計(jì)者可以在此范圍內(nèi)選擇一個(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目：

（4）其中N——豎井總數(shù)，個(gè)

L——豎井埋管總長，m

H——豎井深度，m

分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。

然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，若計(jì)算結(jié)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(guān)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(shí)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(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。

2.6計(jì)算管道壓力損失在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實(shí)際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。

結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強(qiáng)化、土壤性質(zhì)等）的研究還很有限，設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)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(yīng)采用豎直U型埋管方式。

（2）盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管，但并聯(lián)方式采用小管徑，初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，所以在實(shí)際工程中常用，且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡，最好設(shè)計(jì)成同程式。

（3）選擇管徑時(shí)，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m（當(dāng)量長度）以下，同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動(dòng)處于紊流過渡區(qū)。

轉(zhuǎn)貼的資料，僅供參考，具體還要看當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況（地層，含水率以及采用埋管的形式）

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時(shí)溝通、指正。

地源熱泵空調(diào)的興起為人們的生活帶來了很大的便利，越來越多的人開始關(guān)注和使用地源熱泵，在埋管式地源熱泵系統(tǒng)施工時(shí)，要根據(jù)具體施工條件來確定不同的埋管方式，那么地源熱泵系統(tǒng)的埋管方式都有哪些呢？下面為大家一一介紹。

地源熱泵空調(diào)水平埋管：水平埋管的方式是比較簡單的，適用于單季使用，不適用于冬夏冷暖聯(lián)供使用。這一埋管方式收到外界氣候條件的限制，并且需要占用的場地也比較大，因此在場地寬敞的地方是比較適合用水平埋管的方式。

地源熱泵空調(diào)垂直埋管：與水平埋管的方式相比，垂直埋管受外界氣候條件影響小，并且占地面積也比較小，有著良好的恒溫效果。并且在施工結(jié)束后，后期的維護(hù)費(fèi)用也很低。但相對應(yīng)的初期鉆進(jìn)費(fèi)用就會(huì)比較高，適合我國這種人多地少的國家建造。冬季埋管式地源熱泵系統(tǒng)中環(huán)路的循環(huán)水把打底熱量轉(zhuǎn)移到主機(jī)，主機(jī)通過裝置將大地?zé)崃窟M(jìn)行集中并供到內(nèi)機(jī)，以此為房間供暖。而到了夏季，運(yùn)行程序剛好與冬季相反。

如果是在比較寬敞的場地上安裝埋管式地源熱泵系統(tǒng)，可考慮比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式。如果場地有限，可考慮豎直U型埋管方式。在實(shí)際施工中，為了保持各個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間的阻力平衡，最好設(shè)計(jì)成同程式。

http://www.wofuny.com/Article/dyrbktmgfs.html

關(guān)于埋管式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，除了上面介紹的內(nèi)容外，還要考慮到經(jīng)濟(jì)問題和土壤質(zhì)量，更多時(shí)候還會(huì)考慮使用期限問題，這就需要大家對多方面考慮因素進(jìn)行綜合權(quán)衡，這樣才能使得地源熱泵系統(tǒng)的埋管工作更加順利，并保證今后的順利使用。