暖通工程師：地源熱泵地埋管計算方法，你知道嗎？

管道埋深怎麼計算

（一）管材選擇及流體介質

一、管材

一般來講，一旦將地下埋管系統換熱器埋入地下後，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩定性、耐腐性。

1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在國外地源熱泵系統中得到了廣泛應用。

2、PVC（聚氯乙烯）管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致洩漏，因此在地源熱泵系統中不推薦用PVC 管。

3、為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出採用薄壁（0。5mm）的不鏽鋼鋼管，但目前實際應用不多。

4、管件公稱壓力不得小於1。0Mpa，工作溫度應在-20℃～50℃範圍內。

5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇。

6、地埋管應能按設計要求長度成捆供應，中間不得有機械介面及金屬接頭。

二、連線

1、熱熔聯接（承接聯接和對接聯接，對於小管徑常採用）

2、電熔聯結

三、流體介質及回填料

流體介質

南方地區：由於地溫高，冬季地下埋管進水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；

北方地區：冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低於0℃，因此一般均需使用防凍液。（①鹽類溶液——氯化鈣和氯化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。

埋管水溫：

1、熱泵機組夏季向末端系統供冷水，設計供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機組相同。地埋管中迴圈水進入U管的最高溫度應 <37℃，與冷卻塔進水溫度相同。

2、熱泵機組冬季向末端系統供水溫度與常規空調不同，在滿足供熱條件下，應儘量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組執行工況、減小壓縮比、提高cop值，並降低能耗。 地埋管中迴圈水冬季進水溫度，以水不凍結並留安全餘地為好，可取3—4℃。當然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大迴圈水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將迴圈水溫降至0℃以下，為此迴圈水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價、增加對裝置的腐蝕。在嚴寒地區不得不這樣做，而在華北地區的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。

地溫

是恆定值，可透過測井實測。有關資料介紹某地地下約100米的

地溫

是當地年平均氣溫加4℃左右。天津市年平均氣溫是12。2℃，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規律。

回填材料

可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱效能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱效能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建築物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛採用。

（二）埋管系統環路

一、埋管方式

1、水平埋管

水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由於多層埋管的下層管處於一個較穩定的溫度場，換熱效率好於單層，而且佔地面積較少，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1。2～2。0m，雙層管1。6～2。4m）

近年來國外又新開發了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。

2 、垂直埋管

根據埋管形式的不同，一般有單U 形管，雙U 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。

1）U 形管型：是在鑽孔的管井內安裝U 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，U 形管徑一般在φ50mm 以下。

2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內管為φ15～φ25ｍｍ。其換熱效率較U 形管提高16。7%。缺點：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內管進、出水連線處不好處理，易洩漏，因此適用於深度≤30m 的豎埋直管，對中埋採用此種形式宜慎重。

二、地下埋管系統環路方式

1、串聯方式

優點：①一個迴路具有單一流通通路，管內積存的空氣容易排出；

②串聯方式一般需採用較大直徑的管子，因此對於單位長度埋管換熱量來講，串聯方式換熱效能略高

缺點：①串聯方式需採用較大管徑的管子，因而成本較高；

②由於系統管徑大，在冬季氣溫低地區，系統內需充注的防凍液（如乙醇水溶液）多；

③安裝勞動成本增大；

④管路系統不能太長，否則系統阻力損失太大。

2、並聯方式

優點：①由於可用較小管徑的管子，因此成本較串聯方式低；

②所需防凍液少；

③安裝勞動成本低。

缺點：

①設計安裝中必須特別注意確保管內流體流速較高，以充分排出空氣；

②各並聯管道的長度儘量一致（偏差應≤10%），以保證每個並聯迴路有相同的流量；

③確保每個並聯迴路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達到此目的。

從國內外工程實踐來看，中、深埋管採用並聯方式者居多；淺埋管採用串聯方式的多

三、地埋管打孔孔徑

孔徑：

根據地質結構不同，鑽孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區地表土壤層很厚，為了鑽孔、下管方便多采用Ф300孔徑。

（三）地下埋管系統設計

一．地下換熱量計算

地下換熱量可以由下述公式計算：

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製冷係數

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱係數

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製冷量、制熱量以及製冷係數、供熱係數，計算時應從樣本中選用設計工況下的 、 。若樣本中無所需的設計工況，可以採用插值法計算。

二、地下熱交換設計

1.水平埋管：

確定管溝數目：

埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長）左右，；設計時可取換熱能力的下限值，即20 W/m。

單溝單管埋管總長具體計算公式如下： L=Q/20

其中L ——埋管總長，m

Q ——冬季從土壤取出的熱量，w

分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，W/m

單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管佈置時分別乘上0。9、0。85、0。75、0。70 的熱干擾係數（熱協調係數）。

確定管溝間距：

為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距。該間距的大小與執行狀況（如連續執行還是間歇執行；間歇執行的開、停機比等）、埋管的佈置形式（如單行佈置，只有兩邊有熱干擾；多排佈置，四面均有熱干擾）等等有關。

建議串聯每溝1 管，管徑1/4“～2”；串聯每溝2 管， 1 又1/4“～1 又1/2”。並聯每溝2 管， 1“～1 又1/4”；並聯每溝4～6 管，管徑13/4“～1”。

管溝間距：每溝1 管的間距1。2m，每溝2 管的間距1。8m，每溝4 管間距3。6m。管溝內最上面管子的管頂到地面的的最小高度不小於1。2m。

2、豎直埋管

確定豎井埋管管長

一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m（井深），垂直雙U 形管為80～100W/m（井深）左右，設計時可取換熱能力的下限值。

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。

設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），雙U管設計具體計算公式如下：

L=Q1/25 （3）

其中 L——豎井埋管總長，m

Q1——夏季向土壤排放的熱量， W

分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m

確定豎井數目及間距

國外，豎井深度多數採用50～100m［2］，設計者可以在此範圍內選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數目：

N=L/（4*H） （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於豎井深度的2倍。

然後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，否則鑽孔和安裝成本大大增加。

關於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］，也有例項中提到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］。若採用串聯連線方式，可採用三角形佈置（詳見［2］）來節約佔地面積。

工程較小，埋管單排佈置，地源熱泵間歇執行，埋管間距可取3。0m；工程較大，埋管多排佈置，地源熱泵間歇執行，建議取間距4。5m；若連續執行（或停機時間較少）建議取5～6m

注意事項

1、垂直地埋管換熱器埋管深度應大於30m，宜為60m～150m；鑽孔間距宜為3m～6m。水平管埋深應不小於1。2m。

2、地埋管換熱器水平幹管坡度宜為0。3%，不應小於0。2%。

3、地埋管環路之間應並聯且同程佈置，兩端應分別與供、回水管路集管相連線。每個環路集管連線的環路數宜相同。

4、地埋管換熱器宜靠近機房或以機房為中心設定。鋪設供、回水集管的管溝宜分開佈置；供、回水集管的間距不應小於0。6m。

三、管徑與流速設計

1、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。一般並聯環路用小管徑，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失控制在4mH２O/100m當量長度以下。

備註：

① 地下埋管換熱器環路壓力損失限制在30～50kPa/100m 為好，最大不超過50kPa/100m。同時應使管內流動處於紊流過渡區。

② 地下埋管系統單位冷噸（1 冷噸=3024kcal/h=3。52kW）水流量控制在0。16～0。19L/s．t

③ 最小管內流速（流量）：在相同管徑、相同流速下，水的雷諾數最大大。所以採用CaCl2 和乙二醇水溶液時，為了保證管內的紊流流動，與水相比需採用大的流速和流量。

2、校核管材承壓能力

管路最大壓力應小於管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等於大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和［1］，即：

P=P0+ρgH+0。5Ph

其中 p——管路最大壓力，Pa

P0——建築物所在的當地大氣壓，Pa

ρ——地下埋管中流體密度，kg/m3

g——當地重力加速度，m/s2

H——地下埋管最低點與閉式迴圈系統最高點的高度差，m

Ph——水泵揚程，Pa

3其它

3。1與常規空調系統類似，需在高於閉式迴圈系統最高點處（一般為1m）設計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。

（四）設計舉例

一．設計引數

上海某複式住宅空調面積212m2。

1、室外設計引數

夏季室外乾球溫度tw＝34℃， 溼球溫度ts＝28。2℃

冬季室外乾球溫度tw＝-4℃， 相對溼度φ＝75％

2、室內設計引數

夏季室內溫度tn＝27℃， 相對溼度φn＝55％

冬季室內溫度tn＝20℃， 相對溼度φn＝45％

二．計算空調負荷及選擇主要裝置

1、參考常規空調建築物冷熱負荷的計算方法，

計算得到各房間冷熱負荷並選擇風機盤管型號；考慮房間共用係數（取0。8），得到建築物夏季設計總冷負荷為24。54kW，冬季設計總熱符負荷為16。38kW，選擇NOBO SI20TR型地源源熱泵機組1臺，本設計舉例工況下的 COP1＝5。9， COP2＝4。2。

2、計算地下負荷

根據公式（1）、（2）計算得

Q1‘= Q1*（1+1/COP1）=24。54*（1+1/5。9）=28。7 kW

Q2’= Q2*（1-1/COP2）=16。38*（1-1/4。2）=12。48 kW

取夏季向土壤排放的熱量 進行設計計算。

3、確定管材及埋管管徑

選用聚乙烯管材PE63（SDR11），並聯環路管徑為DN20，集管管徑分別為DN25、DN32、DN40、DN50，如圖1所示。

4、確定豎井埋管管長

根據公式（3）計算得

L=28。7*1000/25=1148 m

5、確定豎井數目及間距

選取豎井深度50m，根據公式（4）計算得

N=L/（4*H）=5。74 個

圓整後取 6 個豎井，豎井間距取 4 m。

6、計算地埋管壓力損失

參照本文2。6介紹的計算方法，分別計算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10─11─11′－1′各管段的壓力損失，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連線到熱泵機組的管路壓力損失，以及熱泵機組、平衡閥和其他裝置元件的壓力損失，所選水泵揚程為15mH2O。

7、校核管材承壓能力

南京夏季大氣壓力 P0＝100250 Pa，水的密度 ρ＝1000 kg/m3，

當地重力加速度 g＝9。8 m/s2， 高度差 H＝50。5 m

重力作用靜壓 ρgH＝494900 Pa

水泵揚程一半 0。5Ph＝7。5 mH2O＝73529 Pa

因此，管路最大壓力 P=P0+ρgH+0。5Ph＝673550Pa（約0。7Mpa）

聚乙烯PE-100額定承壓能力為1。6MPa，管材完全滿足設計要求。