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隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。

土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地熱交換器。

地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。

地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。

雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計指導，本文進行了初步探討，以供參考。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟

(1)建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算

建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，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)計總冷負荷，kW

Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設(shè)計總熱負荷，kW

COP1——設(shè)計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)

COP2——設(shè)計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)

一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)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(shù)、供熱系數(shù)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的 COP1、COP2 。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。

（ 2）地下熱交換器設(shè)計

這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數(shù)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(shè)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(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當?shù)赝寥李愋鸵约般@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，初投資一般會便宜些，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180m。U型管的典型環(huán)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(lián)或并聯(lián)

地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(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，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯(lián)環(huán)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(tǒng)能力。因此，實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，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質(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(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?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)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(shù)據(jù)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(shè)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(shù)目及間距

國外，豎井深度多數(shù)采用 50～100m，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數(shù)目:

（4） 其中 N——豎井總數(shù)，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(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。

然后對計算結(jié)果進行圓整，若計算結(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]，也有實例中提到DN25的U型管，其豎