一、土壤式地源熱泵空調系統設計

1、水平與垂直埋管

2、地下換熱器設計

串聯方式

單一流通通路，空氣容易排除需較大直徑管子，換熱量較大，但成本高，适用于小型的系統。

并聯方式

可使用較小的管徑，成本低，設計安裝必須注意保持較高的流體流速，以充分排除空氣應同程設計，各并聯管路長度一緻。

垂直U型埋管并聯系統實例

認識埋管材料

不同土質對換熱的影響

密度越大，導熱系數越大。

3、埋管管徑

兩個要求：

滿足換熱量（管徑要大）

保持管道内紊流以保證流體與管道傳熱

一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑

常用管徑有：20/25/32/40/50mm

管内流速控制在1.22m/s以下，對大管徑（dn50以上），流速<2.44m/s。

間距：

目的：防止埋管間熱幹擾。

工程規模小，埋管單排布置，間隙運行的，取3.0m間距；

工程規模大，間隙運行的，U型豎埋管間距一般為4.5m；

連續運行的，多排埋管布置，取6m間距。

4、确定埋管形式

類型：單U型管和雙U型管

工程規模小，埋管建議采用單U。

工程規模大，且埋管面積不足，埋管建議采用雙U。

埋管深度：

水平埋管

單層管最佳埋深為0.8~1.0m

雙層管最佳埋深為1.2~1.9m

應埋在當地凍土深度以下

适合間隙使用。

垂直埋管

鑽60m以内井深費用低；

井深80m内可用普通承壓塑料管，大于80m，需用高承壓塑料管（1.6~2.0Mpa），成本大大增加

井深50m造價比井深100米造價低30~50%

淺埋（≤30m），中埋（31~80m），深埋（≥80m），中埋是最多的選擇。

确定埋管所需總管長

經驗數據：

垂直埋管70~110W/m（井深，對U型管），或35~55W/m管長

水平埋管取20~40W/m管長。

主要會出現的問題及解決辦法

南方夏季冷負荷遠大于冬季熱負荷，若采用地源熱泵将造成兩個問題：

土壤熱不平衡，長期運行系統效果變差。

按夏季冷負荷造成地熱換熱器投資巨大。

解決方法

土壤換熱量按冬季熱負荷的120%設計

多餘的冷負荷配置冷卻塔進行散熱。

5、确定熱交換器換熱量

按建築物冷熱負荷計算冬夏地下換熱量

6、計算管道壓力損失

各管段壓力損失<30~50KPa/100M

最大不超過50KPa/100M

沿程阻力及局部阻力值可查表格

水泵消耗功率P與熱泵容量名義冷噸之比控制在50~75W/冷噸（14.2~21.3W/kW。

7.校核管材承壓能力

閉式系統承受最大壓力P

P=P0 ρgh 0.5Ph

P0大氣壓Pa

ρ流體密度，kg/m3

g重力加速度，9.8m/s2

h地下埋管最低點與閉式循環最高點高度差，m

Ph水泵揚程Pa

對于埋管50m，水泵揚程40m的系統，最大承壓為0.76MPa。

設計舉例

上海某住宅空調面積212m2

計算空調冷熱負荷，并考慮房間同時使用系數，總冷負荷25kW，總熱負荷17kW。

選用設備能效比按3.5 計算則夏季向土壤排放熱量=25*（1 1/3.5）=32kW。

1）确定管材及埋管管徑

選用聚乙烯管材PE63(SDR11)，并聯環路管徑DN20，取溫差為１０度，則單個回路流量＝0.045*32*3.6/10/2＝０.２６m3/h。

分别計算其它集管管徑，分别是DN25,DN32,DN40,DN50（見布置圖）

2）确定豎井結構

按保守最小數據35W/m管長

埋管總長度Ｌ＝32000/35=914m

确定豎井數目及間距

取豎井深度50m ,豎井數量Ｎ＝914/2/50=9.14

取整數１０個，豎井間距取４.５m

3）計算壓力損失

各管路為并聯同程布置，按流量查阻力表，計算任意一個管段總壓力損失為４０ＫＰa

計算熱泵機組水阻力、其它設備的阻力，所選水泵揚程為１５mH2O

4）校核管材承壓能力

P=P0 ρgh 0.5Ph＝100530 1000*9.8*50 0.5*15=668959Pa

(約０.７MPa)在ＰＥ的額定承壓能力内。

總結

地埋管換熱系統的設計内容應包括

設計依據及計算方法

地埋管方式、埋管長度及埋管間距

垂直埋管鑽孔分布、數量、深度、孔徑及間距

水平埋管溝槽分布、寬度、深度及管間距

換熱器及集管規格、材質

換熱器環路及系統布置圖

傳熱介質、防凍液及防凍溫度

注：“能量樁”名詞解釋

能量樁：通過在預制鋼筋混凝土方樁中埋設各形狀的管狀換熱器裝置進行承載、擋土支護、地基加固的同時，可以進行淺層低溫地熱能轉換，起到樁基和地源熱泵預成孔直接埋設管狀換熱器的雙重作用。這樣也就縮短施工工期，節約施工費用，更能有效的利用建築物底闆下的面積。

二、地表水/地下水形式地源熱泵系統設計

各種水源

熱源井設計應符合當地水務管理部門的要求，設計單位應具有水文地質勘察資質

熱源井設計應符合GB50296《供水管井技術規範》

1、可使用的必備水源條件

可使用水量是否滿足（水井出水量）

可利用水源溫度是否滿足

可利用水源回灌是否順利（水井回灌）

注：1）出、回水井輪流使用提高使用壽命

2）單井回灌時地下水要求十分豐富

2、實際設計工況-水溫條件

室内循環水溫差5℃

可利用不同換熱器和井水換熱，具體溫差根據實際情況而定（大溫差小流量，盡量減少地下水提取、回灌量）

例：井水溫度16 ℃

制冷時：利用溫差可達到16 ℃ 16--32 ℃

制熱時：利用溫差可達到11 ℃ 16--5 ℃

3、經驗數據

井水設計和施工幾個重要參數：

井水溫度：15~30℃

井距50~70m，井深應确保水溫

取水量在水環水量的50%~100%，水質條件

取水井與回灌井數量不應小于1：1

水量衰減：三年衰減<20%

地面沉降：三年内<5mm

取水井數量=主機總制熱量*0.75/單井取熱量

标準井孔直徑800mm，井管直徑500mm，深85m，循環水量100T/H，水溫10~20 ℃ ，取水溫差5℃，取熱能力580KW

4、水源熱泵中央空調系統應用條件

5、實際設計工況-水量的計算

制冷時需要水量：溫差、冷量→水量

制熱時需要水量：溫差、熱量→水量

提取最大可利用溫差

對所需水量提出最小要求（高峰用量）

6、水源水水質

7、地表水源取水

地下水源取水

8、地下水的處理

9、地下水的回灌

目的——熱能再生反複利用，保護水資源及穩定地質結構。

條件——取決于含水層的滲透性

水質标準（建議達到下表）

回灌類型——無壓（回流）、負壓（真空）、加壓（正壓）。

回灌指标

三、地埋管系統施工工藝（以下工藝及作業圖片，僅供參考，隻是引用，不對作業水平作任何評價）

工程鑽孔施工工藝

1.1鑽孔前的準備工作

1.1.1在施工前先了解并确定土壤地質條件。

1.1.2确定地下綜合管線分布及設置情況，并做好明顯的标識記号。

1.1.3平整土地，根據地埋管施工圖，用白灰标示具體鑽孔位置及總管坑槽位置。

1.1.4确定鑽孔支架搭設位置。

1.1.5确定鑽孔機械電源容量及供給情況。

1.1.6提供水源至鑽孔現場。

1.2工程鑽孔1.2.1、根據 工程情況确定鑽孔的位置，鑽孔直徑不小于150mm。鑽孔深度以設計要求為準。

1.2.2、每鑽完一孔前，套管必須組裝好，施鑽完畢應盡快将套管放入鑽孔中，并立即将水充滿套管，以防孔内積水使套管脫離孔底上浮，達不到預定埋設深度。

1.2.3在泥漿或空氣旋轉鑽孔方式中，應沿鑽管内部送入高壓空氣、水、或泥漿，并沿着鑽杆的外側将鑽屑送回地面。取出的土壤放入泥漿池中可用作灌漿材料或将其運離作業現場。鑽孔過程中産生的泥漿水從鑽孔位置冒出地面，在施工前應制訂好排水措施，可順地勢挖出排水溝，并在溝的末端挖一個泥漿池，鑽孔過程中産生的泥漿在泥漿池中沉澱，作為回填物使用。應注意在各個将要放置鑽機的位置不能開挖排水溝或連接各個垂直埋管的水平管溝，防止開挖的管溝被鑽機壓塌。

3、雙U管換熱器預制、施工要求3.1、管道連接采用熱熔焊接方式，焊接口必須符合施工規範，注意壓接寬度；

3.2、聚乙烯管的制作要求：

a.烯管的連接可采用專用的熱熔設備進行熱熔連接（熱熔承插連接、熱熔對焊連接），與金屬管道連接應采用法蘭連接。

熱熔承插連接：b.承插連接應采用質量可靠的熱熔機具，便攜式熔接工具适用于dn≤63mm管道及系統最後連接，台式熔接機具适用于dn≥63mm管道預裝備連接。c.熱工具加熱到熔接溫度260℃±10℃，插口管末端應切割平整，與軸線垂直。用筆在承口和插口上做适當的标記，以利于連接定位。d.熱工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表面。e.完畢後，迅速移走加熱模具，将插口端平直插入承口端，達到連接強度後固定接頭，自然冷卻至環境溫度。

熱熔對接

a.外徑dn≥63mm的PE管均可采用熱熔對接方式連接，該方法經濟可靠，其接在承拉和承壓時都比管材本具有更高強度。熱熔連接溫度：200~210。使用該方法時，設備僅需熱熔對接機，步驟如下：b.連接管材置于焊機夾具上并夾緊；c.管材連接端并銑削連接面；d.兩對接件，使其端面錯位量不大于管道壁厚的10%；e.加熱闆加熱；f.完畢，取出加熱闆；g.接合兩加熱面，升壓至熔接壓力并保壓冷卻。

法蘭連接：套在法蘭連接件上；

法蘭連接件與PE管道連接按上述工藝處理；

将法蘭盤與金屬法蘭對接。

a.連接前應對管材、管件及附屬設備、閥門、儀表按設計要求進行核對，并在施工現場進行外觀檢查，符合要求方準使用。

b.根據鑽孔深度并确定立埋管的長度，每孔兩根。接時應使用同一生産廠家的管材和管件，如确需将不同廠家（品牌）的管材、管件連接則應經試驗證明其可靠後方準使用。

c.每次連接完成後，應進行外觀質量檢驗，不符合要求的必須返工。

施工人員應進行上崗培訓；

每次施工後，管口應臨時封堵；

f.在寒冷氣候（-5℃以下）和大風環境下進行連接操作時，應采用保護措施或調整施工工藝參數。

聚乙烯管連接的注意事項：3.3、雙U管換熱器在鑽孔内的安裝：

a.鑽井深度及埋管長度必須符合設計要求，井深誤差不超過2米，保證埋管長度。

b.當樁基孔做好後，可進行下管。下管時應将灌漿管和U型管一起插入孔中，直至孔底，下管時，U型管内宜充滿水。

c.U型管下部端頭應設保護裝置。灌漿管端頭宜設防堵護罩，且灌漿時應能夠将其沖開。

d.采用人工下管。在下管時套上粗麻繩，輔以扶正機構，下管時要盡量保證同心度。通過加力杠杆作用于粗麻繩上，以便下管。

e.U型管兩支管間每隔2m～4m應設一彈簧卡（或固定支卡），以将兩支管分開。

f.在下管結束後要對管口采取有效的臨時封堵措施。

4、 聚乙烯管給水管道檢漏與試壓4.1、注意事項：聚乙烯管管組對完畢，進行外觀檢查合格後，方可進行壓力試驗；試驗介質一般采用水，其溫度不宜超過40℃；試驗壓力應為管道系統工作壓力的1.5倍或設計明确規定的試驗壓力。

4.2、施工過程：1.)所有管道和管道連接件必須經過檢查以防滲漏；

有U型管在安裝之前必須經過壓力試驗，水平管在回填土之前也必須經過壓力試驗；

2.)交換器必須進行水壓試驗，試驗壓力為管道設計工作壓力的1.5倍，或系統運行壓力的3倍；在試驗壓力下，穩壓1小時(4小時)，觀察其壓力降，當壓降不大于0.05MPa（0.034 MPa），則認為合格。

30分鐘内不應該出現滲漏現象；将測得的流量與壓降同計算結果進行比較，以判斷管路是否有堵塞現象。

3.)水壓試驗采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中應随時觀察與檢查不得有滲漏 。

4.)根據設計要求，把U形管底部浸入水中，檢查應無氣泡冒出，保壓4小時，氣壓應無明顯變化，檢漏完畢，放掉管内氣體，加滿水，同時做好臨時封閉，且保護接口不受破壞。

5.)在鑽孔前，每個U型埋管應平直裝配起來，并包紮好防止彎曲收縮。

5、樁内回填材料施工（灌漿回填）主要技術措施5.1放好埋管、灌漿前，應固定埋管，并在孔和管子之間的縫隙放入一些細黃沙并用石塊等固定管口。

5.2U型地埋管随導漿管插入豎井底部，後立即導管灌漿，并用卷邊或蓋頂熔接密封U型管兩端口，以防雜物進入。

5.3在回填料時要使用專用的灌注系統，該灌注系統由高速攪拌機、攪拌池、低速攪拌機及泥漿泵和管路組成。注漿時，先将填料按照設計好的比例放入調整攪拌機中攪拌2－3分鐘，然後排入到低速攪拌罐中攪拌。灌漿時，先将閥門打開，把漿液排入到儲漿池中，通過高壓泥漿泵注入孔内。并通過注入時泥漿的密度與溢出時漿液的密度是否相等來判斷是否停止注漿，如果相等則表示漿液已經充滿孔内，可以停止注漿。

5.4灌注時，要求泥漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表，當上返泥漿密度與灌注材料的密度相等時，認為注漿過程結束。注漿時，必須保證注漿的連續性，否則會降低傳熱效果，影響工程質量。應使用泥漿泵通過灌漿管将混合漿灌入孔中。不得用人工的方法灌漿封孔。應根據機械灌漿的速度将灌漿管逐漸抽出，使灌漿液自下而上灌注封孔，确保鑽孔灌漿密實，無空腔。

5.5灌漿材料的配比要根據與甲方及設計商定的結果進行配比。在施工時應對現場的填料配比進行嚴格的控制。

5.6在水平埋管和系統試壓合格，确認無漏後，才開始回填土壤，

5.7回填土首層應為至少200mm厚度的細黃沙，且确保其中無石頭及其它硬物，200mm以外用一般土回填，橫埋管在地表下的深度至少為1.8米，回填後在相對标高-0.2米處設置對應的橫管及立管标識。

試驗和鑒定6.1、管系統安裝完成後，應由監理單位來工地現場做試驗鑒定，并按如下内容提出報告。

6.2、部豎井的位置和深度以及熱交換器的長度是否符合設計要求。

6.3、對灌漿類型、混合過程和将灌漿充入豎井的檢驗與安裝土壤熱交換器同步進行。

6.4、監督循環管路、循環集管和管線的試壓是否按上述要求進行，以保證沒有洩漏。

6.5、如果有必要，需監督不同管線的水力平衡情況。

6.6、檢驗防凍液和化學防腐劑的特征及濃度是否符合設計要求。

按上面的試驗和鑒定結果提交。

鋼筋混凝土樁内綁紮換熱管

在PE換熱管的頂端接出口處安裝保護套管并接出鋼筋籠，以防止安裝灌注樁時對換熱管的破壞，同時确保回灌水泥漿料時換熱管接頭不受水泥漿料的污染，這樣才能保證換熱管方便連接到水平集管上。

來源：暖通南社

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