浅谈U型埋管式地源热泵

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内容提要：通过对埋管式地源热泵的工作原理、设计方法及在滨州公路大厦应用的详细介绍。使我们更清楚地认识埋管式地源热泵技术。

键词：钻井同程式地源热泵地下热交换器U型埋管

中图分类号： U173.3 文献标识码：A文章编号：

Abstract: based on the ground source heat pump type buried the working principle, design methods and application in binzhou highway building the detailed introduction. Make us more clearly know buried tube type ground source heat pump technology.

Keywords: drilling program with ground source heat pump underground heat exchanger U buried tube

1引言随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。U型埋管式地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。因此积极探讨埋管式地源热泵技术是非常有必要的。针对它的原理、设计方法和在公路大厦中的应用在下面的资料里有详细地阐述，从而使我们更好的来认识这项技术。

工程概况

滨州公路大厦工程位于黄河五路以北，黄河五～一路以南，渤海十七路以西，渤海十七～一路以东主楼地下一层，地上20层，其南侧部分十五层。东西裙楼各一层，西侧裙楼设地下车库，地上设局部夹层，东侧裙楼设局部地下库房，地上设局部夹层。整个大楼夏季冷负荷为2280KW，冬季热负荷为2050KW。1-6层的大厅及会议室采用中央空调，大楼的办公用房和客房采用风机盘管。

3 工作原理

地下U型埋管式热泵工作原理，既夏季把吸收室内多余的热量通过室外地下换热器排放到大地中去；冬季通过地下热换热器从大地中吸取热量，释放到建筑物内；通俗说，地下埋管式热泵通过地下热交换器，夏季向大地放热，冬季从大地吸热。

4 设计方法

地下U型埋管式热泵系统设计核心是地下热交换器设计，地下热交换器设计内容主要包括管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等具体的步骤见下面的内容。

4.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算

4.1.1建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述

4.1.2冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式[2]计算：

kW （1）

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

4.2 地下热交换器设计

4.2.1选择热交换器形式

（1）串联或并联

地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。

4.2.2选择管材

一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；

4.2.3确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。

4.2.4确定竖井埋管管长

地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。现在我们可以通过一个通用的公式(3)来计算.

（3）

其中 L――竖井埋管总长，m

Q1＇ ――夏季向土壤排放的热量，kW

分母“M”是夏季每m管长散热能力的换热能力的下限值，W/m

4.2.5确定竖井数目及间距

竖井数目计算公式(4):

（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。竖井间距根据常规来确定,DN20的管一般竖井水平间距为3m，DN25的U型管，其竖井水平间距为6m [3]

4.2.6 计算管道压力损失

在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。

4.2.7 水泵选型

根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。

4.2.8 校核管材承压能力

管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：

其中ｐ ――管路最大压力，Pa

ｐo――建筑物所在的当地大气压，Pa

ρ――地下埋管中流体密度，kg/m3

g ――当地重力加速度，m/s2

h――地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m

ρh――水泵扬程，Pa

5 在公路大厦的应用

5.1选用的U型埋管式热泵系统

整个工程采用4台制热量710KW,制冷量为715KW的热泵机组。室外地下换热器埋管采用高密度聚乙烯管，管径为20mm， 管长96000米。共分6系统，每个系统80口井，每口井深100米，共打了480口作为热泵的热交换井，分布说明如下：（系统一的大样图见图一）

（1） 第一个分系统布置在办公大厦的北侧，横向布置20口井（东西方向）。两井间距5米。总长度为95米。纵向布置4口井（南北方向），两井间距4米，总长度为12米。

（2） 第二个分系统布置在办公大厦的西北侧，横向布置4口井，两井间距5米。总长度为15米。纵向布置20口井，两井间距4米，总长度为76米。

（3） 第三个分系统布置在办公大厦的西南侧，横向布置10口井，两井间距4.5米。总长度为40.5米。纵向布置8口井，两井间距4.5米，总长度为31.5米。

（4） 第四、五个分系统布置同第三个分系统

（5） 第六个分系统布置在办公大厦的东南侧，横向布置10口井，两井间距4.5米。总长度为40.5米。纵向布置8口井，两井间距4米，总长度为28米。

图1 系统1井分布大样图

5.2 U型埋管式地源热泵的施工

5.2.1 主要数据的校核

（1）热泵负荷的校核

热负荷Q1= 710×4 = 2840 KW > 2280 KW；

冷负荷Q2= 715×4 = 2860 KW > 2050 KW；

（2）管长的校核

由于换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，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[3]。 选用的设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP1=3.5，

由公式（1）可以得出夏季向土壤排放的热量Q1＇=2280×（1+1/3.5）=2931.43 KW

取垂直埋管深度的换热量下限值 N=35 W/M

由公式（3）管长L=（2931.43×1000）/35=83755.14 M< 96000M

（3）管井的间距

设计4.2.5中，竖井间距根据常规来确定,DN20的管一般竖井水平间距为3m，本工程中最小井间距为4M。符合设计要求。

经上述校核得出，该地下U型埋管式地源热泵可以满足工程的需要。

5.2.1 地下换热器的施工

（1）对场地了解平整

对埋管场地地质和地下管线状况进行了解。铲除地面杂草、杂物和浮土，平整地面，确定钻井的具置。

（2）钻井

在每个孔旁边修了排水沟把打井时的泥水排离打孔场地。开孔直径150mm，终孔直径100mm，能够容易的插入所设计的U型管及灌浆管。

（3）下管回封

钻孔完毕后，孔洞内很容易沉积泥沙，减少孔洞的有效深度。为了保证下管的深度，每钻完一孔，我们及时把U型管放入。下管后防止U型管上浮，马下用特制的导热系数大的膨胀水泥回填。

（4）地下换热器的连接

地下热交换器中的U型管的接头采用承插式熔接连接，在流体流动的回路采用同程式并联形式，连接的示意图见图2

图2同程式并联地下换热器连接示意图

6 结束语

U型埋管式地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。在欧美多发达国家广泛的应用，而在我国刚刚起步，希望通过此文介绍，使大家对它有更清楚认识。

地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40-60%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、

参考文献

[1] 徐伟等.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，2001.11

[2]孙友宏，胡克，庄迎春，刘冬生。岩土钻掘工程应用的又一新领域―地源热泵技术。岩土钻掘工程， 2002，增刊。

[3] 王勇.地源热泵研究（1）――地下换热器性能研究：[硕士学位论文].重庆:重庆建筑大学，1997

[4] 肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例.现代空调，2001.3：88～100

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。